DD257362A3 - ARRANGEMENT FOR DETERMINING DATA CHARACTERIZING THE CRYSTALLIZATION PROCESS AND / OR MEASUREMENT SIZES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung von den Kristallisationsprozess charakterisierenden Daten und/oder Messgroessen bei der Kristallzuechtung aus Schmelzen mit bewegtem Keimkristall mit dem Ziel, den Kristallisationsprozess weitestgehend zu objektivieren und zu automatisieren. Aufgabe ist es, insbesondere bei der Hochtemperaturkristallzuechtung, die Lebensdauer thermisch stark beanspruchter Teile der Zuchtapparatur und der Impfkeimstange zu erhoehen und prozessrelevante, auswertbare Daten zur Streuerung und Regelung des Kristallisationsprozesses zu erhalten. Die Aufgabe wird bei einer Anordnung mit rotierender und axial bewegbarer Ziehspindel mit einem, eine Impfkeimstange tragenden Keimstangenhalter dadurch geloest, dass im Keimstangenhalter oder der Ziehspindel Strahlungsempfaenger und -sender, strahlungsleitende optische Elemente, Blenden- und Filteranordnungen vorgesehen sind. Die einkristalline Impfkeimstange besitzt eine strahlungsabsorbierende und selektiv strahlungsleitende Dotierungszone. Es sind zusaetzliche Detektoren vorgesehen, die weitere, den Kristallisationsprozess charakterisierende Parameter, z. B. das Gewicht des wachsenden Kristalls, messen. Ueber verschiedene Messkanaele simultan erhaltene Messwerte werden Auswerteschaltungen zugefuehrt, deren Ausgangssignale die Betaetigung der Steuereinrichtungen der Kristallzuchtanlage bewirken. Fig. 1The invention relates to an arrangement for determining the crystallization process characterizing data and / or Messgroessen in the Kristallzichting from melting with moving seed crystal with the aim of objectifying and automating the crystallization process as far as possible. The task is, in particular in the Hochtemperaturkristallzighigation, to increase the life of thermally stressed parts of the breeding apparatus and Impfkeimstange and process-related, evaluable data for scattering and control of the crystallization process to obtain. The object is achieved in an arrangement with rotating and axially movable pulling spindle with a seed rod holder carrying a Impfkeimstange solved by the fact that radiation receivers and transmitters, radiation-conducting optical elements, aperture and filter arrangements are provided in Keimstangenhalter or the drawing spindle. The monocrystalline Impfkeimstange has a radiation-absorbing and selective radiation-conducting doping zone. There are additional detectors are provided, the other, the crystallization process characterizing parameters, eg. For example, measure the weight of the growing crystal. Measured values obtained simultaneously via different measuring channels are fed to evaluation circuits whose output signals bring about the actuation of the control devices of the crystal growing system. Fig. 1
Description
Hierzu 7 Seiten ZeichnungenFor this 7 pages drawings
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ermittlung von den Kristallisationsprozeß charakterisierenden Daten und/ oder Meßgrößen bei Anlagen zur Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen, vorzugsweise bei der Hochtemperaturzüchtung, mit bewegtem Keimkristall.The invention relates to an arrangement for determining data characterizing the crystallization process and / or measured variables in plants for the growth of single crystals of melts, melt solutions and solutions, preferably in the Hochtemperaturzüchtung, with moving seed crystal.
Unter Berücksichtigung der materialspezifischen Eigenschaften physikalischer und chemischer Verbindungen wurden für deren einkristalline Darstellung verschiedene Kristallzuchtverfahren und -einrichtungen entwickelt. So sind z. B. zur Züchtung von Einkristallen aus einer Schmelze des Kyropoulos-Verfahren (im wesentlichen bei Arbeitstemperaturen unter 10000C angewendet) und das Czochralski-Verfahren (im allgemeinen für Kristallisationstemperaturen über 10000C üblich) bekannt, bei denen ein im wesentlichen aus dem gleichen Material wie der zu züchtende Einkristall bestehender Keimkristall in eine, in einem geheizten Schmelztiegel befindliche, geringfügig überhitzte Schmelze eingebracht wird. Der Keimkristall ist an der Ziehspindel der Zuchtapparatur, üblicherweise mit Hilfe eines Keimhalters, kristallographisch orientiert befestigt und wird über die rotierende Ziehspindel in eine Drehbewegung versetzt. Dabei ist eine unkomplizierte, genaue, leicht lösbare und mechanisch schonende Befestigung des möglichst häufig verwendbaren Keimkristalls an der Stirnseite der Ziehspindel der Zuchtapparatur von großer Bedeutung. Gleichzeitig muß die Verbindungsstelle die stabile, reproduzierbare und kristallographisch genau orientierte Befestigung des Keimkristalls unabhängig von der Drehzahl der Ziehspindel und der Arbeitstemperatur gewährleisten. Die gleichzeitige Erfüllung aller dieser Forderungen wird durch die bisher praktizierten Varianten der Keimkristallausführung und-befestigung, insbesondere bei der Hochtemperaturzüchtung, nicht in befriedigender Weise erreicht. Außerdem ist eine gezielte Nutzung der optischen und bestimmter anderer Eigenschaften des verwendeten Keimkristalls zur Ermittlung von den Kristallisationsvorgang charakterisierenden, auswertbaren Meßwerten sowie deren Verwendung für die rationelle Optimierung der Züchtungstechnologie bisher nicht bekannt.Taking into account the material-specific properties of physical and chemical compounds, various crystal growth methods and devices have been developed for their monocrystalline representation. So z. B. for the growth of single crystals from a melt of the Kyropoulos process (used essentially at working temperatures below 1000 0 C) and the Czochralski process (generally for crystallization temperatures above 1000 0 C usual) known in which a substantially the same Material as the single crystal to be grown existing seed crystal is placed in a, located in a heated crucible, slightly overheated melt. The seed crystal is attached to the pulling spindle of the growing apparatus, usually with the aid of a seed holder, crystallographically oriented and is rotated by the rotating pulling spindle. In this case, an uncomplicated, accurate, easily detachable and mechanically gentle attachment of the most frequently usable seed crystal on the front side of the pulling spindle of the breeding apparatus of great importance. At the same time the joint must ensure the stable, reproducible and crystallographically accurately oriented attachment of the seed crystal, regardless of the speed of the pulling spindle and the working temperature. The simultaneous fulfillment of all these requirements is not achieved by the hitherto practiced variants of seed crystal design and attachment, especially in the Hochtemperaturzüchtung, in a satisfactory manner. In addition, a targeted use of the optical and certain other properties of the seed crystal used to determine the crystallization process characterizing evaluable readings and their use for the rational optimization of breeding technology is not yet known.
Bei dem weit verbreiteten Czochralski-Verfahren wird der rotierende Keimkristall nach erfolgtem Anschmelzvorgang in Abstimmung mit dem fortschreitenden Kristallwachstum zusätzlich in Richtung der Ziehspindelachse aus der Schmelze gezogen. Schmelztiegel und Ziehspindel mit daran befestigtem Keimkristall befinden sich in einer Zuchtatmosphäre, die im Innern eines gewöhnlich hermetisch gegenüber der Außenatmosphäre abgeschlossenen Behälters der Kristallzuchteinrichtung (Rezipienten) herrscht. Statt aus einer Schmelze können nach diesem Prinzip bestimmte Einkristalle auch aus einer Schmelzlösung oder Lösung gezüchtet werden. Dabei ist für die erfolgreiche Züchtung von Kristallen hoher Qualität, insbesondere der für den Einsatz als aktive oder passive optische Bauelemente oder in der Halbleitertechnik/Mikroelektronik vorgesehenen Einkristalle, nach den genannten Verfahren aus Schmelzen, Schmelzlösungen oder Lösungen neben der Erfüllung üblicher apparativer Voraussetzungen und der Berücksichtigung materialspezifischer Besonderheiten als verfahrenstechnische Voraussetzung in zunehmendem Maße die Anwendung geeigneter automatischer Kontroll- und Regelungsmethoden zur Überwachung und gezielten Beeinflussung des Kristallisationsprozesses über mindestens einen geschlossenen Regelkreis geboten. Aus wachstumskinetischen und regelungstechnischen Gründen ist es hierbei wünschenswert, möglichst frühzeitig relevante Informationen über den aktuellen Istzustand der Kristallisationszone (Bereich unmittelbar vor der Phasengrenze zwischen wachsendem Kristall und der flüssigen Phase) zu erhalten, wie z.B. über die Temperatur der Schmelze und deren räumliche Verteilung, die Form der Kristallwachstumsfront (Interface), die Gestalt des sich um den Kristall ausbildenden Meniskus und die momentane Massenwachstumsrate (pro Zeiteinheit kristallisierende Masse) sowie deren Tendenz, um auf der Basis dieser Informationen geeignete Stellgrößen bilden und damit steuernd und regelnd auf den Verlauf des Kristallisationsprozesses einwirken zu können. Es ist bekannt, daß zeitliche Änderungen der Form und räumlichen Lage der Wachstumsfront von lokalen Schwankungen der Massenwachstumsrate begleitet sind („Kristallografija" 24 [1979], vyp. 1, S. 192-194) und gewöhnlich eine Verschlechterung der Realstruktur bewirken. Diese Änderungen sind ihrerseits das Resultat von Temperaturschwankungen der flüssigen Phase nahe der Kristallisationsfront. Letztere widerspiegeln schließlich mehr oderIn the widespread Czochralski method, the rotating seed crystal is additionally drawn out of the melt in the direction of the drawing spindle axis after the melting process has taken place in coordination with the advancing crystal growth. Crucible and pulling spindle with attached seed crystal are in a breeding atmosphere, which prevails in the interior of a usually hermetically sealed against the outside atmosphere container of the crystal growing device (recipient). Instead of a melt, certain monocrystals can also be grown from a melt solution or solution according to this principle. It is for the successful breeding of high quality crystals, especially those intended for use as active or passive optical components or semiconductors / microelectronics single crystals, according to the above methods of melting, melting solutions or solutions in addition to meeting the usual equipment requirements and consideration Material-specific features as a procedural requirement increasingly the use of suitable automatic control and regulation methods for monitoring and targeted influencing the crystallization process over at least one closed loop commanded. For reasons of growth-kinetic and control engineering, it is desirable to obtain as early as possible relevant information about the actual state of the crystallization zone (region immediately before the phase boundary between the growing crystal and the liquid phase), e.g. on the temperature of the melt and its spatial distribution, the shape of the crystal growth front (interface), the shape of the meniscus forming around the crystal and the instantaneous mass growth rate (mass crystallizing per unit time) and their tendency to form suitable manipulated variables on the basis of this information and thus to be able to control and regulate the course of the crystallization process. It is known that temporal changes in the shape and position of the growth front are accompanied by local fluctuations in the mass growth rate ("Kristallografija" 24 [1979], vyp. 1, pp. 192-194) and usually cause a deterioration of the real structure are in turn the result of temperature fluctuations of the liquid phase near the crystallization front, the latter eventually reflecting more or
weniger starke Störungen des thermodynamischen Gleichgewichts in der Energiebilanz der in der Kristallisationszone vonstattengehenden thermischen Energieübertragungs- und Stofftransportprozesse sowie ihrer komplexen Wechselwirkungen und sind praktisch nie ganz zu vermeiden. Aus den genannten Gründen muß folglich eine der Verbesserung der Kristallperfektion dienende Automatisierung des Zuchtprozesses notwendigerweise auf die Stabilisierung der Wachstumsfront während der gesamten Zuchtdauer gerichtet sein. Im Sinne einer optimalen Stabilisierung des Kristallisationsprozesses wäre daher aus regelungstechnischen Gründen eine meßtechnische Ermittlung der jeweils aktuellen Temperaturverhältnisse wünschenswert, die in der vor der Kristallisationsfront befindlichen Diffusionsschicht bzw. in deren unmittelbarer Umgebung herrschen. In der Praxis stößt dies jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten und es werden daher bei den bekannten Stabilisierungsmethoden und ihren Ausführungsvarianten ersatzweise die Werte sekundärer technologischer Parameter bestimmt, die nachteiligerweise den tatsächlichen Verlauf des Kristallisationsprozesses nur mit Einschränkungen widerspiegeln.less severe disturbances of the thermodynamic equilibrium in the energy balance of vonstatten going in the crystallization of thermal energy transfer and mass transport processes and their complex interactions and are practically never completely avoid. Consequently, for the reasons mentioned, automation of the breeding process which serves to improve the crystal perfection must necessarily be aimed at stabilizing the growth front during the entire growing period. In terms of an optimal stabilization of the crystallization process, it would therefore be desirable, for reasons of control engineering, to determine the current temperature conditions in each case in the diffusion layer in front of the crystallization front or in its immediate surroundings. In practice, however, this encounters considerable difficulties and, therefore, the values of secondary technological parameters which disadvantageously reflect the actual course of the crystallization process only with restrictions are determined in the known stabilization methods and their variants.
Die anschließende Charakteristik der bekannten technischen Lösungen beschreibt bekannte Arten der Keimkristallbefestigung bei der Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen mit bewegtem Keimkristall sowie bei diesen Zuchtverfahren gebräuchliche Stabilisierungsmethoden zur automatischen Steuerung und Regelung des Wachstumsprozesses.The subsequent characteristic of the known technical solutions describes known types of seed crystal attachment in the growth of single crystals of melts, melting solutions and solutions with moving seed crystal as well as in these breeding methods conventional stabilization methods for automatic control and regulation of the growth process.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Befestigung des Keimkristalls an der Ziehspindel der Kristallzuchtapparatur durch Ankleben an einem Träger mit „hitzebeständigen Kitten" (Wasserglas) bzw. durch Einmörteln in ein als Zwischenstück wirkendes Keramikrohr mit Hochtemperaturmörtel („Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S. 582). Eine andere Methode besteht im Umwickeln des Keimkristalls mit Edelmetall-Drähten aus Platin, Iridium, Rhodium o. ä. hitzebeständigen Materialien („Journal of Applied Physics" 36 [1965], S. 1741; „Journal of Crystal Growth " 12 [1972], S. 120; „Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 157). Auch die Aufhängung an einem Platin-Draht wurde bereits vorgeschlagen (DT-OS 2442517). Eine weitere bekannte Befestigungsvariante besteht im Zusammenquetschen eines Rohres aus Edelmetall am Ende der Ziehspindel, nachdem der Keimkristall eingeschoben worden ist („Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 188; „Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S. 582). Dem Stand der Technik entsprechend wird auch die Befestigung des Keimkristalls in mit Edelmetalldraht umwickelten, dünnwandigen Rohren angewandt („Journal of Applied Physics" 33 [1962], S.3064; „Journal of Crystal Growth" 3,4 [1968], S. 295; „Journal of Crystal Growth" 10 [1971], S. 133; „Platin Metals Review" [1973], S.46). In manchen Fällen ist das Rohr zur Erhöhung der Wirksamkeit der Drahtumwicklung seitlich geschlitzt.According to the prior art, the attachment of the seed crystal to the pulling spindle of the crystal growing apparatus by adhering to a carrier with "heat-resistant Kitten" (water glass) or by mortaring in acting as an intermediate ceramic tube with high temperature mortar ("Methods of Crystal Growth", VEB Deutscher Verlag of the Sciences, Berlin 1973, p. 582). Another method consists in wrapping the seed crystal with precious metal wires of platinum, iridium, rhodium or the like heat-resistant materials ("Journal of Applied Physics" 36 [1965], p 1741, "Journal of Crystal Growth" 12 [1972] 120, "Journal of Crystal Growth" 15 [1972], p 157) Also, the suspension on a platinum wire has already been proposed (DT-OS 2442517) .A further known fastening variant consists in the squeezing of a tube made of precious metal at the end of the drawing spindle after the seed crystal has been inserted ("Journal of Crystal Growth" 15 [1972], p. 188; "Methods of Crystal Growth", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, p. 582) Technique according to the attachment of the seed crystal is used in wrapped with noble metal wire, thin-walled tubes ("Journal of Applied Physics" 33 [1962], p.3064; "Journal of Crystal Growth" 3.4 [1968], p. 295; Journal of Crystal Growth "10 [1971], 133, "Platinum Metals Review" [1973], p. 46). In some cases, the tube is laterally slotted to increase the effectiveness of the wire wrapping.
Zu den Nachteilen dieser Befestigungsarten zählt, daß die Befestigung des Keimkristalls mit relativ komplizierten manuellen Operationen verbunden ist, die eine hohe Geschicklichkeit des Bedienungspersonals erfordern.Among the disadvantages of these types of attachment is that the attachment of the seed crystal is associated with relatively complicated manual operations that require a high degree of skill of the operator.
Die genaue Orientierung des Keimkristalls ist problematisch und z.T. nicht mit der erforderlichen Qualität und Reproduzierbarkeit möglich. Beim Einspannen mittels Draht oder Einklemmen in Rohre ist auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten eine erhebliche mechanische Belastung des Keimkristalls nicht auszuschließen. Dies führt beim praktischen Einsatz häufig zum Bruch und damit zum Verlust des Keimkristalls einschließlich des bereits gewachsenen Einkristalls.The exact orientation of the seed crystal is problematic and z.T. not possible with the required quality and reproducibility. When clamping by means of wire or clamping in pipes a considerable mechanical stress of the seed crystal can not be excluded due to different thermal expansion coefficients. In practice, this often leads to breakage and thus to the loss of the seed crystal, including the already grown single crystal.
Bei eingeklebten bzw. eingemörtelten Keimkristallen besteht die Gefahr der selbständigen Lockerung während des Zuchtbetriebes, insbesondere beim Arbeiten mit sehr hochschmelzenden Verbindungen, bei denen das Bindemittel bereits nicht mehr fest genug ist und bei einem eventuellen Abtropfen die gesamte Schmelze durch Verunreinigung unbrauchbar macht. Insbesondere bei schwierig zu züchtenden und aus kostspieligem Material bestehen Kristallarten, bei denen die wiederholte Verwendung des Keimkristalls in besonderem Maße anzustreben ist, stellt das einen ernsten ökonomischen Verlust bzw. technischen Rückschlag dar. Auch die oftmalige Einsetzbarkeit der verwendeten Befestigungsdrähte und-rohre ist in der Praxis häufig nicht gegeben, da sie—insbesondere bei hohen Arbeitstemperaturen — bereits nach wenigen Einsätzen brüchig werden (z. B. Iridium) bzw. miteinander verschweißen und damit unbrauchbar sind.When glued or mortared seed crystals, there is a risk of self-loosening during breeding, especially when working with very high melting point compounds, where the binder is no longer solid enough and in a possible dripping makes the entire melt unusable by contamination. In particular, in difficult to grow and expensive material consist of types of crystals in which the repeated use of the seed crystal is particularly desirable, this represents a serious economic loss or technical setback. The frequent applicability of the fastening wires and tubes used is in the Practice often not given because they are - especially at high operating temperatures - after a few uses become brittle (eg iridium) or welded together and thus unusable.
Mit den gleichen Mangeln behaftet ist auch die Keimkristallbefestigung in Rohren mit Hilfe von Klemmschrauben (DWP 27705; „Zeitschrift für Physik" 84 [1933], S. 677; „Review of Scientific Instruments" 9 [1938], S. 322-324; „Einkristalle", Springer-Verlag Berlin-Göttingen-Heidelberg-München 1962, S.276/277, Abb. 190; „Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S. 563 und 582; „Solid State Technology", Januar 1974, S. 52-55) oder-stiften („Journal of Crystal Growth" 41 [1977], S.262-274, Abb.5).Affected by the same shortcomings is also the seed crystal attachment in pipes by means of clamping screws (DWP 27705, "Journal of Physics" 84 [1933], p 677, "Review of Scientific Instruments" 9 [1938], p 322-324; "Einkristalle", Springer-Verlag Berlin-Goettingen-Heidelberg-Munich 1962, p.276 / 277, Fig. 190; "Methods of Crystal Growth", VEB German Publishing of Science, Berlin 1973, pp. 563 and 582; "Solid State Technology ", January 1974, pp. 52-55) or sticks (" Journal of Crystal Growth "41 [1977], p.262-274, Fig. 5).
Einem fortschrittlicheren Stand der Technik entsprechen die vorgeschlagenen Kristallbefestigungen, welche auf dem Prinzip des Spannfutters bzw. Klemmbackenfutters beruhen (ZS-PS 3446603; „Kristallografija" 4 [1959], S.261; „Improved Techniques for athe Growth of Single Crystals Suitable for Laser Applications", Arthur D. Little, Inc. Acorn Park, Cambridge, Mass., U.S.A., Dec. 1965,S.1-37,Abb,2; „Review of Scientific Instruments" 37 [1966], S.1094; DT-AS 1245317; „Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S.564imd 582). Jedoch besitztauch diese Art der Befestigung des Keimkristalls den Nachteil, daß letzterer in der Regel einen von den für die Spannfutter verwendeten Metallen abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Um das Herausrutschen des Keimkristalls aus der Keimhalterung bei hohen Arbeitstemperaturen zu verhindern, muß daher der Keimkristall im kalten Zustand, d. h. zu Beginn des Zuchtprozesses, unter erheblicher Klemmwirkung im Keimhalter befestigt werden. Außerdem ist allen bisher beschriebenen Keimkristallbefestigungen der verfahrenstechnische Mangel eigen, daß es beim unvorhergesehenen Erstarren der Schmelze während des Zuchtprozesses, hervorgerufen z. B. durch Störungen im Energieversorgungsnetz oder plötzlich auftretende Defekte der Kristallzuchtapparatur, durch die in solchen Fällen weiterrotierende Ziehspindel zum Abscheren bzw. Bruch des mit ihr starr verbundenen und in der erstarrten Schmelze/Schmelzlösung festsitzenden Keimkristalls kommt. Zur Behebung dieser Nachteile ist bereits ein nicht klemmender Keimhalter aus Molybdän bekannt, der aus einer Hohlachse mit konischem Innenprofil und seitlichem Schlitz zum Einhängen eines Keimkristalls besteht („Journal of Crystal Growth" 22 [1974], S. 65). Trotz einer Reihe von Vorteilen dieser Keimbefestigung ist es für eine universelle Anwendbarkeit dieses Prinzips von Nachteil, daß es zur genauen Orientierung des eingehängten Keimkristalls notwendig ist, an seinem oberen Ende eine konische Orientierungsfläche anzuarbeiten, was mit zusätzlichem technischem Aufwand verbunden ist. Außerdem sind mit dieser Anordnung, insbesondere bei höheren Drehzahlen der Ziehspindel und bei der wiederholten Verwendung des Keimkristalls, pendelartige Ausschwingungen des Keimkristalls im Zuchtbetrieb nicht auszuschließen. Diese potentielle Instabilität der Befestigung stellt die genaue und reproduzierbare Orientierung des Keimkristalls in Frage und kann wiederum nur durch den Nachteil einer erhöhten mechanischen Belastung, z. B. durch Einlegen einer Springfeder oder Auflegen eines Gewichtes, behoben werden.According to a more advanced state of the art, the proposed crystal fixtures based on the chuck principle (ZS-PS 3446603; "Kristallografija" 4 [1959], p.261; "Improved Techniques for Growth of Single Crystals Suitable for Laser Applications, Arthur D. Little, Inc. Acorn Park, Cambridge, Mass., USA, Dec. 1965, pp. 1-37, Fig. 2, "Review of Scientific Instruments" 37 [1966], p.1094; DT -AS 1245317; "Methods of crystal growth", VEB German publishing house of the sciences, Berlin 1973, p.564imd 582). However, this type of attachment of the seed crystal also has the disadvantage that the latter usually has a different thermal expansion coefficient from the metals used for the chuck. In order to prevent slipping out of the seed crystal from the seed holder at high operating temperatures, therefore, the seed crystal in the cold state, d. H. be attached at the beginning of the breeding process, under considerable clamping effect in the germ holder. In addition, all the seed crystal fasteners described so far is the procedural deficiency own that it caused by the unforeseen solidification of the melt during the breeding process, z. B. by disturbances in the power grid or sudden defects of the crystal growing apparatus through which in such cases further rotating pulling spindle for shearing or breakage of rigidly connected to it and stuck in the solidified melt / melt solution seed crystal comes. To overcome these disadvantages, a non-clamping molybdenum seed holder is already known, which consists of a hollow shaft with conical inner profile and lateral slot for suspending a seed crystal ("Journal of Crystal Growth" 22 [1974], p 65) For a universal applicability of this principle, it is disadvantageous that, for a precise orientation of the suspended seed crystal, it is necessary to work a conical orientation surface at its upper end, which is associated with additional technical outlay This potential instability of the fastening calls into question the exact and reproducible orientation of the seed crystal and, in turn, can only be detrimental because of the disadvantage of higher speeds of the pulling spindle and, with repeated use of the seed crystal, swinging oscillations of the seed crystal he increased mechanical stress, z. B. by inserting a spring or laying a weight can be corrected.
Weiterhin sind in der Kristallzüchtung die in der Technik vielfältig verwendeten Bajonettverbindungen eingesetzt worden, jedoch lediglich zur Verbindung von zwei Teilen der Ziehspindel einer Kristallzuchtapparatur und nicht zur eigentlichen Befestigung des Keimkristalls an der Ziehspindel („Rostkristallov" 1 [1956], S. 262; „Nature" (London) 181 [1958], S.4603; „Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1963, S.286).Furthermore, in the crystal growing the bayonet joints widely used in the art have been used, but only for connecting two parts of the pulling spindle of a crystal growing apparatus and not for the actual attachment of the seed crystal to the pulling spindle ("Rostkristallov" 1 [1956], p 262; Nature "(London) 181 [1958], S.4603;" Crystal Breeding ", VEB German publishing house of the sciences, Berlin 1963, P. 286).
Eine weiterentwickelte Keimkristallhalterung (DD-PS 193516) besteht aus einer nach dem Bajonettprinzip an einer zwischen Keimkristall und Ziehspindel angeordneten Keimhalterstange festziehbaren, beiderseits offenen Hülse aus hochtemperaturbeständigem Edelmetall mit einem der Schmelze zugewandten, nach innen umgebördelten Rand als Auflagefläche für eine in die Hülse eingelegte, geschlitzte Ringscheibe aus ebenfalls hochtemperaturbeständigem Edelmetall. Von dieser geschlitzten Ringscheibe soll der Keimkristall in einer ringförmigen, in ihm exakt parallel zu seiner als . Orientierungsfläche dienenden oberen Stirnfläche verlaufenden Nut klemm- und spannungsfrei getragen werden. Außer der Gewährleistung einer kristailographisch genau und reproduzierbar orientierten, stabilen Lage des Keimkristalls unabhängig von der Drehzahl der Ziehspindel und der Arbeitstemperatur soll diese Kristallhalterung eine leichte Aüswechselbarkeit des Keimkristalls ermöglichen und gleichzeitig im Sinne einer Rutschkupplung zwischen Keimkristall und Keimhalterstange wirken. Die mit dieser Keimkristallhalterung angestrebten Einsatzvorteile werden jedoch bei der Herstellung von Einkristallen aus der Schmelze mit bewegtem Keimkristall, vor allem bei der Hochtemperaturzüchtung, insbesondere deshalb nicht im genannten Umfang praxiswirksam, da die Verbindungsstelle zwischen Keimkristall und der eingesetzten Keimhalterstange während des Zuchtvorganges einer sehr starken thermischen Belastung ausgesetzt ist. Dies führt z. B. zu Verschweißerscheinungen zwischen den metallischen Einzelteilen des genannten Keimkristallhalters, so daß sich dessen Komponenten nach Abschluß des Züchtungsprozesses häufig nicht zerstörungsfrei und ohne Beschädigung des Keimkristalls demontieren lassen, was die oftmalige Verwendbarkeit des Keimkristalls und/oder seiner Halterung stark einschränkt.An advanced seed crystal holder (DD-PS 193516) consists of a according to the bayonet principle on a arranged between seed crystal and pull rod germ holder rod, both sides open sleeve made of high temperature resistant precious metal with a melt facing, inwardly beaded edge as a support surface for a inserted into the sleeve, Slotted ring disc made of high-temperature-resistant precious metal. From this slotted annular disc of the seed crystal in an annular, in him exactly parallel to his as. Orientation surface serving upper end surface extending groove clamped and tension-free to be worn. In addition to ensuring a crystallographically accurate and reproducible oriented, stable position of the seed crystal regardless of the speed of the pulling spindle and the working temperature of this crystal holder to allow easy Aüswechselbarkeit of the seed crystal and at the same time act in terms of a slip clutch between the seed crystal and germ support rod. However, in the production of single crystals from the melt with moving seed crystal, especially in high-temperature cultivation, the use advantages sought with this seed crystal holder are not practically effective, because the junction between the seed crystal and the seed holder rod used during the growing process of a very strong thermal Exposure is exposed. This leads z. B. to Verschweißerscheinungen between the metallic parts of said seed crystal holder, so that its components after completion of the breeding process often can not be dismantled without destruction and damage to the seed crystal, which greatly restricts the frequent use of the seed crystal and / or its holder.
Dem Stand der Technik entsprechend werden bei der Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen mjt bewegtem Keimkristall üblicherweise folgende Stabilisierungsmethoden zur automatischen Steuerung und Regelung des Kristallwachstumsprozesses angewendet, die sich bezüglich der physikalischen Natur des kontrollierten technologischen Parameters und deren meßtechnischer Realisierung unterscheiden:According to the state of the art, in the growth of single crystals of melts, melt solutions and solutions with moving seed crystal, the following stabilization methods are usually used for the automatic control and regulation of the crystal growth process, which differ with respect to the physical nature of the controlled technological parameter and its metrological realization:
1. Temperaturmessung direkt in der Kristallisationszone mittels dort positioniertem Thermoelement;1. Temperature measurement directly in the crystallization zone by means of a thermocouple positioned there;
2. Kontrolle der Schmelztiegeltemperatur;2. Control of crucible temperature;
3. Optische Abtastung des wachsenden Kristalls mit Hilfe eines Fernsehsystems;3. Optical scanning of the growing crystal by means of a television system;
4. Abbildung des wachsenden Kristalls mit Röntgen- oder Gammastrahlen;4. imaging the growing crystal with X-rays or gamma rays;
5. Pyrometrische Überwachung des Meniskusgebietes;5. Pyrometric monitoring of the meniscal area;
6. Meniskuskontrolle mittels aktiver optischer Verfahren;6. Meniscus control by means of active optical methods;
7. Messung der Schmelzniveauabsenkung im Tiegel;7. Measurement of melt level reduction in the crucible;
8. Gravimetrische Kristalldurchmesserregelung (Gewichtsmethode).8. Gravimetric crystal diameter control (weight method).
Aus „Journal of Materials Science" 11 (1976), S.259-263 ist die Bestimmung der in der Kristallisationszone herrschenden Temperatur mit Hilfe eines in der Nähe der Interface in der Schmelze positionierten Thermoelementes bekannt, wobei jedoch der registrierte Temperaturverlauf nur als zusätzlicher Meßwert dient, nicht aber als Istwert für das auf einem anderen Prinzip beruhende automatische Regelsystem zur Steuerung des Wachstumsprozesses herangezogen wird. Hierbei bereitet die während der Dauer des gesamten Zuchtprozesses erforderliche exakte Positionierung des Thermoelementes in der Schmelze in definiertem Abstand vor der Phasengrenzfläche Schwierigkeiten. Nachteilig ist dabei ferner, daß der Temperaturdetektor selbst zu einer potentiellen Störungsquelle für den Wachstumsprozeß wird und durch seine Anwesenheit das Auftreten zusätzlicher Kristalldefekte induziert, z. B. infolge Veränderung des Temperaturprofils sowie einer vom Thermoelement ausgehenden Störung des Konvektionsverhaltens der Schmelze in der Nähe der Phasengrenze. Schließlich sind Schmelzverunreinigungen durch unerwünschte chemische Reaktionen des Thermoelementmaterials mit der Schmelze („Journal of Scientific Instruments" 41 [1964], S. 676-678], vor allem bei der Hochtemperaturzüchtung („Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft" [1963], S.615-619), nicht auszuschließen.From "Journal of Materials Science" 11 (1976), p.259-263, the determination of the prevailing temperature in the crystallization zone by means of a near the interface in the melt positioned thermocouple is known, but the registered temperature profile only as an additional reading The disadvantage here is that the exact positioning of the thermocouple in the melt at a defined distance in front of the phase interface, which is required during the entire growing process, presents no difficulties as an actual value for the automatic control system based on another principle furthermore, that the temperature detector itself becomes a potential source of disturbance to the growth process and induces the presence of additional crystal defects by its presence, for example as a result of a change in the temperature profile and a thermocouple disturbance of the convection tion behavior of the melt near the phase boundary. Finally, smelting impurities are due to undesired chemical reactions of the thermocouple material with the melt ("Journal of Scientific Instruments" 41 [1964], pp. 676-678], especially in high-temperature breeding ("Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft" [1963], p. 615-619), can not be ruled out.
Eine andere Stabilisierungsmethode beruht auf der Ermittlung der Temperatur des Schmelztiegels, die seitlich oder am Boden desselben von außen durch die Tiegeleinbettung hindurch mittels Thermoelementen oder pyrometrisch erfolgt („Journal of Applied Physics" 31 [1960], S. 1508; „Journal of Applied Physics" 33 [1962], S. 1893; „Journal of the American Ceramic Society" 45 [1962], S. 474-478; „Improved Techniques forthe Growth of Single Crystals Suitablefor Laser Applications"—Arthur D. Little Inc. [Dec. 1965], S. 1-37; US-PS 3865554; „Journal of Crystal Growth" 38 [1977], S.206-212). Die Regelung des Zuchtprozesses erfolgt dabei über eine Steuerung der Schmelztiegeltemperatur nach vorgegebenem Programm.Another stabilization method is based on the determination of the temperature of the crucible, the side or at the bottom thereof from the outside through the crucible embedding by means of thermocouples or pyrometrically ("Journal of Applied Physics" 31 [1960], p 1508, "Journal of Applied Physics "33 [1962], p. 1893;" Journal of the American Ceramic Society "45 [1962], pp. 474-478;" Improved Techniques for the Growth of Single Crystals Suitable for Laser Applications "Arthur D. Little Inc. [Dec 1965], pp. 1-37, US-PS 3865554; "Journal of Crystal Growth" 38 [1977], pp.206-212) .The control of the breeding process takes place via a control of the crucible temperature according to a predetermined program.
Von Nachteil ist bei diesem Verfahren die Tatsache, daß mit zunehmender Entfernung der Temperaturmeßstelle von der Kristallisationszone (d. h. beim Einsatz großer Schmelztiegel zwecks Erhöhung der erreichbaren Kristallabmessungen) sowohl eine wachsende zeitliche Verschiebung zwischen dem Auftreten einer Temperaturänderung vor der Interface und ihrer meßtechnischen Erfassung als auch eine Abnahme der erreichbaren Nachweisempfindlichkeit zu verzeichnen ist, wodurch das Regelverhalten des betreffenden Stabilisierungssystems verschlechtert wird. Dieser unerwünschte Effekt wirkt sich mit zunehmender Chargengröße immer störender aus, indem er eine rechtzeitige und phasenrichtige Beeinflussung des Kristallisationsprozesses erschwert oder schließlich ganz verhindert, da das erhaltene Meßsignal dabei außerdem einen verringerten Signal/Rausch-Abstand aufweist und bei zunehmenden Schmelztiegelabmessungen immer schlechter mit dem tatsächlichen Temperaturgang nahe der Phasengrenze korreliert. Abgesehen von systematischen Meßfehlern, die bei der pyrometrischen Temperaturbestimmung des anvisierten Gebietes der Außenwand des Schmelztiegels infolge ungenügender Berücksichtigung der spektralen Strahlungseigenschaften der verwendeten Tiegel-, Abschirmungs- und Fenstermaterialien auftreten können („Applied Optics" 3 [1964], S.281-285; „Izlucatel'nye svoijstva tverdych materialov — Spravocnik", Izd-vo Energija, Moskva 1974/russ.), ist bei der Anwendung dieser Methode zur Stabilisierung des Zuchtprozesses zu berücksichtigen, daß sich, z.B. beim Czochralski-Verfahren, die Relation zwischen dem an der Schmelztiegelwand/-boden gemessenen Temperaturverlauf und der nahe der Kristallisationszone herrschenden, den Wachstumsprozeß im wesentlichen bestimmenden Bedingungen (wie z. B. Form der Schmelzisothermen, Betrag der axialen und radialen Temperaturgradienten nahe der Wachstumsfront u.a.m.) mit fortschreitendem Zuchtprozeß beträchtlich ändern kann. Aus diesem Grunde besitzt der zur Herstellung von regelmäßig geformten Einkristallen hoher Qualität erforderliche optimale Verlauf des Schmelztiegel-Temperaturprogramms eine relativ komplizierte Gestalt. Dieses Temperaturprogramm muß gewöhnlich für jeden Kristalltyp jeA disadvantage of this method is the fact that with increasing distance of the temperature measuring point of the crystallization zone (ie when using large crucibles to increase the achievable crystal dimensions) both a growing time shift between the occurrence of a temperature change before the interface and their metrological detection and a Decrease in the achievable detection sensitivity is recorded, whereby the control behavior of the respective stabilization system is deteriorated. This undesirable effect has an increasingly disturbing effect with increasing batch size, by making timely and in-phase influencing of the crystallization process difficult or even completely impossible since the measurement signal obtained also has a reduced signal-to-noise ratio and becomes worse and worse with increasing crucible dimensions Temperature response near the phase boundary correlates. Apart from systematic measurement errors that may occur in the pyrometric temperature determination of the targeted area of the outer wall of the crucible due to insufficient consideration of the spectral radiation properties of the crucible, shield and window materials used ("Applied Optics" 3 [1964], pp. 281-285; "Izlucatel'nye svoijstva tverych materialov - Spravocnik", Izd-vo Energiya, Moskva 1974 / russ.), When applying this method to stabilize the breeding process, it must be taken into account that, eg in the Czochralski method, the relation between the temperature profile measured on the crucible wall / bottom and the conditions prevailing near the crystallization zone (such as the shape of the melt isotherms, the magnitude of the axial and radial temperature gradients close to the growth front, etc.) ) can change considerably as the breeding process progresses. For this reason, the optimal course of the crucible temperature program required for producing regularly shaped single crystals of high quality has a relatively complicated shape. This temperature program must usually be for each type of crystal
nach gewünschter Kristallabmessung und verwendetem Zuchtaufbau sch rittweise auf empirischem Wege neu ermittelt werden. Sein Verlauf ist in sehr starkem Maße von den realen Ausgangsbedingungen, wie z. B. vom Tiegelfüllungsgrad, abhängig und reagiert bereits auf geringe Toleranzen des Zuchtaufbaus sehr empfindlich, wodurch die Reproduzierbarkeit des Zuchtprozesses wesentlich beeinträchtigt wird.according to the desired crystal size and breeding structure used sch rageweise empirically determined. Its course is very much dependent on the real starting conditions, such. B. from the crucible filling level, and reacts very sensitive to low tolerances of the breeding structure, whereby the reproducibility of the breeding process is significantly impaired.
Es werden weiterhin optische Kontrollmethoden zur Abtastung des wachsenden Einkristalls mittels spezieller Fernsehsysteme angewendet („Journal of Crystal Growth" 13,14 [1972], S.619-628; „Journal of the Electrochemical Society/Solid-State Science and Technology" 120 [1973], S. 1272-1275; „Optik" 37 [1973], S. 15-20; „Kristall und Technik" 8 [1973], S. 1233-1242). Dabei wird der Kontrast zwischen der Abbildung des bereits gewachsenen Kristallabschnitts und dem Gebiet des Schmelzmeniskus ausgenutzt. Beim Einsatz einer geeigneten elektronischen Auswertung des erhaltenen Videosignals ist — in Abhängigkeit von der substanzspezifischen Strahlungs- und Transmissionseigenschaften der gezüchteten Kristalle und ihrer Schmelzen — in bestimmten Fällen eine Relativmessung der Temperatur oberflächennaher Bereiche der Schmelze sowie des wachsenden Einkristalls möglich. Wegen der schlechten Zugänglichkeit des Meniskusgebietes werden bei diesem Verfahren z.T. Spiegelsysteme im Rezipienten eingesetzt, die während des Zuchtprozesses beschlagen, was zu einer starken Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses führt. Nachteilig wirkt sich bei der Anwendung dieser relativ aufwendigen Stabilisierungsmethode weiterhin die Tatsache aus, daß im Vergleich zu anderen Kontrollverfahren größere Schmelztiegel Verwendung finden müssen, um die Verschlechterung der Sichtverhältnisse durch das Absinken des Schmelzspiegelniveaus im Tiegel mit fortschreitendem Wachstumsprozeß in Grenzen zu halten. Als besonders schwerwiegender technisch-ökonomischer Nachteil fällt dies vor allem bei der Hochtemperaturzüchtung ins Gewicht, da besonders bei hohen Arbeitstemperaturen zwecks Verhinderung schädlicher Reaktionen der Schmelze mit dem Material des Schmelztiegels dieser häufig aus dem kostspieligen und schwierig zu bearbeitenden Iridium bestehen muß.Furthermore, optical control methods for scanning the growing single crystal by means of special television systems are used ("Journal of Crystal Growth" 13, 14 [1972], pp. 619-628; "Journal of the Electrochemical Society / Solid State Science and Technology" 120 [FIG. 1973], pp. 1272-1275; "Optik" 37 [1973], pp. 15-20; "Kristall und Technik" 8 [1973], pp. 1233-1242). In this case, the contrast between the image of the already grown crystal section and the area of the melt meniscus is exploited. When using a suitable electronic evaluation of the video signal obtained is - depending on the substance-specific radiation and transmission properties of the crystals grown and their melts - in certain cases, a relative measurement of the temperature of near-surface regions of the melt and the growing single crystal possible. Because of the poor accessibility of the meniscus area z.T. Mirror systems used in the recipient, which fog during the breeding process, resulting in a strong reduction in the signal / noise ratio. A disadvantage in the application of this relatively complex stabilization method continues to be the fact that in comparison to other control methods larger crucibles must be used to keep the deterioration of visibility by the decrease in the melting level in the crucible with progressive growth process in limits. As a particularly serious technical and economic disadvantage, this is especially important in high-temperature breeding, since especially at high operating temperatures in order to prevent harmful reactions of the melt with the material of the crucible, this often must consist of the costly and difficult to process iridium.
Bei einer anderen Methode zur automatischen Wachstumskontrolle des aus der Schmelze gezogenen Einkristalle wird der bereits gewachsene Kristallabschnitt unmittelbar über dem Meniskusbereich einer seitlich einfallenden, kollimierten, die Tiegelein bettung und die Schmelztiegelwand durchdringenden Röntgenstrahlung ausgesetzt, deren räumliche Intensitätsverteilung nach Durchquerung der heißen Zone mit einem geeigneten Strahlungsdetektor (z. B. Geiger- oder Szintillationszähler oder Wiedergabe auf einem Fluoreszenzschirm) ausgewertet wird, welcher in gleicher Höhe wie die Strahlungsquelle auf der ihr gegenüberliegenden Seite des Zuchtaufbaus angeordnet ist (Nederlands Patent 6512921; US-PS 3499736; GB-PS 1154240; „Journal of Crystal Growth" 3,4(1968), S. 286-290; „Acta Electronica" 17 (1974), S.45-55; „Journal of the Electrochemical Society" 121 (1974), S. 822-826; „Journal of Crystal Growth" 21 (1974), S.310-312; „Journal of Crystal Growth" 40 (1977), S.6-12). Auch Gammastrahlungsquellen finden bei dieser Methode Verwendung („Pribory i sistemy upravlenija'Vruss. 1967, Nr.2, S.4-6). Zur Kontrasterhöhung der Abbildung des wachsenden Kristalls sind gewöhnlich zusätzliche Filter im Strahlengang erforderlich, während ein spezieller Tiegelhubmechanismus die Schmelzspiegelabsenkung während des Zuchtprozesses kompensiert. Das nach diesem Verfahren gewonnene Fehlersignal ist proportional der Abweichung des aktuellen Wertes des Kristalldurchmessers vom Sollwert. Nachteilig ist insbesondere die eingeschränkte praktische Anwendbarkeit dieser Stabilisierungsmethode, welche nur bei der Herstellung solcher Medien benutzt werden kann, bei denen das erforderliche Schmelztiegelmaterial für die betreffende Strahlungsart ausreichend durchlässig ist und der wachsende Einkristall gleichzeitig ein für diese Strahlung genügend hohes Absorptionsvermögen aufweist, damit ein für die Signalauswertung ausreichender Kontrast der Schattenabbildung des überwachten Meniskusgebietes gegenüber der Umgebung erzielt werden kann. Diese Bedingungen sind gewöhnlich bei der Züchtung von Halbleiterkristallen aus nichtmetallischen Schmelztiegeln erfüllbar, jedoch nicht bei der Herstellung von Einkristallen hochschmelzender oxydischer Verbindungen, die z. B. für den Einsatz in der Lasertechnik von großer Bedeutung sind. Schließlich sind für die gefahrlose Anwendung dieses Stabilisierungsverfahrens zusätzlich entsprechende Strahlenschutzmaßnahmen zu gewährleisten. Bekannt ist auch die Detektierung der vom Meniskusgebiet ausgehenden Strahlung, wozu dieses über spezielle optische Systeme von schräg oben durch entsprechende Öffnungen in der thermischen Abschirmung des Zuchtaufbaus anvisiert wird (DE-OS 1 619954; DE-AS 1 619967; US-PS 3337303; GB-PS 1 209580; US-PS 3493770; DE-OS 2143553; „DENKI KAGAKU" 40 [1972], S. 521). Die vom Meniskusgebiet selbst ausgehende Strahlung bzw. der an der Meniskusoberfläche in Detektorrichtung reflektierte Anteil der von der heißen Tiegelinnenseite ausgehenden Strahlung („Journal of Crystal Growth" 29 [1975], S. 326-328) wird pyrometrisch gemessen und die radiale/azimutale Intensitätsverteilung analysiert. Obwohl sich diese Methode zur Steuerung des Kristallisationsprozesses, insbesondere bei der Züchtung von Halbleitereinkristallen, als vorteilhaft erwiesen hat („Semiconductor Products and Solid State Technology" October 1970, S.25-30; „Solid State Technology", October 1971, S.41-45, 58; „DENKI KAGAKU" 40 (1972), S.521; „Solid State Technology", Februar 1974, S.33-36, 55), sind die damit erhaltenen Meßwerte jedoch nicht unbeeinflußt von der Zuchtatmosphäre. Da das Meniskusgebiet von außen anvisiert werden muß, sind dabei Verletzungen der thermischen Symmetrie in der Kristallisationszone sowie eine Sichtverschlechterung mit fortschreitendem Zuchtvorgang infolge Schmelzspiegelabsenkung und Beschlagbildung auf den verwendeten optischen Systemen nicht vollständig auszuschließen. Eine unmittelbare meßtechnische Zugänglichkeit der Kristallisationsfront ist auch bei diesem Verfahren nicht gegeben, sondern es beruht auf der gezielten Ausnutzung der stoffspezifischen (Halbleiter!) starken Änderung des Winkels der maximalen Strahlungsemission schon bei geringer Änderung der Meniskusform. Problematisch ist weiterhin die erhebliche Unsicherheit der Meßsignalauswertung bei der Wachstumskontrolle von Kristallen, die keine rotationssymmetrische Gestalt besitzen, was beim Wachsen orientierter Einkristalle häufig der Fall ist.In another method for automatic growth control of the melt pulled single crystals of the already grown crystal section immediately above the meniscus area of a laterally incident, collimated, the crucible and crucible wall crucible penetrating penetrating X-radiation, their spatial intensity distribution after passing through the hot zone with a suitable radiation detector (eg, Geiger or scintillation counter or display on a fluorescent screen) is evaluated, which is arranged at the same height as the radiation source on the opposite side of the breeding structure (Nederlands Patent 6512921, US-PS 3499736, GB-PS 1154240; Journal of Crystal Growth "3,4 (1968), pp. 286-290;" Acta Electronica "17 (1974), pp. 45-55;" Journal of the Electrochemical Society "121 (1974), pp. 822-826 "Journal of Crystal Growth" 21 (1974), pp. 310-312; "Journal of Crystal Growth" 40 (1977), pp . 1-12), and Gamm Radiation sources are used in this method ("Pribory i sistemy upravlenija'Vruss. 1967, No.2, p.4-6). Increasing the contrast of imaging the growing crystal usually requires additional filters in the beam path, while a special crucible lifting mechanism compensates for the melt level reduction during the growing process. The error signal obtained by this method is proportional to the deviation of the current value of the crystal diameter from the target value. A particular disadvantage is the limited practical applicability of this stabilization method, which can be used only in the production of such media in which the required crucible material for the relevant type of radiation is sufficiently permeable and the growing single crystal simultaneously has a sufficiently high absorption capacity for this radiation, thus a for the signal evaluation sufficient contrast of the shadow image of the monitored meniscus area from the environment can be achieved. These conditions are usually met in the growth of semiconductor crystals from non-metallic crucibles, but not in the production of single crystals of high-melting oxidic compounds, the z. B. for use in laser technology are of great importance. Finally, for the safe application of this stabilization method, additional appropriate radiation protection measures must be ensured. Also known is the detection of radiation emanating from the meniscus area, for which purpose it is targeted by means of special optical systems from obliquely upwards through corresponding openings in the thermal shielding of the breeding structure (DE-OS 1 619954, DE-AS 1 619 967, US-PS 3337303; US-PS 3493770; DE-OS 2143553; "DENKI KAGAKU" 40 [1972], p. 521) shows the radiation emanating from the meniscus area itself or the fraction of the heat from the inside of the crucible on the meniscal surface in the detector direction outgoing radiation ("Journal of Crystal Growth" 29 [1975], p. 326-328) is measured pyrometrically and analyzed the radial / azimuthal intensity distribution. Although this method has proved to be advantageous for controlling the crystallization process, in particular in the growth of semiconductor single crystals ("Semiconductor Products and Solid State Technology" October 1970, pp. 25-30; "Solid State Technology", October 1971, p -45, 58; "DENKI KAGAKU" 40 (1972), p.521; "Solid State Technology", February 1974, pp.33-36, 55), however, the measured values thus obtained are not unaffected by the breeding atmosphere. Since the meniscus area must be targeted from the outside, injuries of the thermal symmetry in the crystallization zone as well as a visual deterioration with progressive breeding process due to melt level reduction and fogging on the optical systems used can not be completely ruled out. An immediate metrological accessibility of the crystallization front is not given in this method, but it is based on the targeted utilization of the material-specific (semiconductor!) Strong change in the angle of maximum radiation emission even with a slight change in the meniscus shape. Another problem is the considerable uncertainty of Meßsignalauswertung in the growth control of crystals that have no rotationally symmetrical shape, which is often the case with wax-oriented single crystals.
Dem Stand der Technik entsprechend werden auch Verfahren der Meniskusformüberwachung mittels aktiver optischer Methoden angewendet (US-PS 3291 650; „Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 85-88; „Internationale Elektronische Rundschau" 1974, Nr.5, S.91-94; „Acta Electronica" 17 (1974), S.45-55). Dabei wird von außen ein gebündelter Lichtstrahl auf ein geeignetes Meniskusgebiet gerichtet, wobei als externe Strahlungsquelle vorteilhaft ein Laser eingesetzt wird. Aus der an der Meniskusoberfläche reflektierten Strahlung, insbesondere aus der Größe des Reflexionswinkels, lassen sich prozeßrelevante Informationen über die Dynamik des Wachstumsvorganges ableiten, die prinzipiell zur automatischen Steuerung des Zuchtprozesses geeignet sind. Dies beruht darauf, daß bei der Kristallzucht nach dem Czochralski-Verfahren ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Durchmesser des wachsenden Kristalles im Meniskusgebiet und dersich ausbildenden Form der Schmelzoberfläche besteht („Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 85-88). Diese aktive Methode ist zwar im Vergleich zu den genannten passiven Methoden der pyrometrischen Meniskusüberwachung weniger von den stoffspezifischen Emissionseigenschaften der betreffenden Schmelze/Schmelzlösung abhängig, ist aber ansonsten prinzipiell mit denselben Nachteilen behaftet, die allen vergleichbaren optischen Kontrollverfahren eigen sind, bei denen der Meßkanal seitlich von der Ziehachse oder schräg durch die thermischen Abschirmungsbauteile des Tiegelaufbaus verläuft und/oder durch die Zuchtatmosphäre beeinträchtigt wird.According to the state of the art methods of meniscus shape monitoring by means of active optical methods are also used (US-PS 3291 650, "Journal of Crystal Growth" 15 [1972], pp. 85-88; "International Electronic Review" 1974, no. P.91-94; "Acta Electronica" 17 (1974), pp. 45-55), in which a bundled light beam is directed from the outside to a suitable meniscus area, wherein a laser is advantageously used as the external radiation source By means of reflected radiation, in particular from the size of the reflection angle, process-relevant information on the dynamics of the growth process can be derived, which are in principle suitable for the automatic control of the growing process, because crystallography according to the Czochralski method has a clear relationship between the diameter the growing crystal in the meniscus area and the forming form of the enamel surface ( Journal of Crystal Growth "15 [1972], pp 85-88). Although this active method is compared to the above-mentioned passive methods of pyrometric meniscus monitoring less dependent on the substance-specific emission properties of the respective melt / melt solution, but is otherwise subject in principle with the same disadvantages that are all comparable optical control methods in which the measuring channel laterally of the drawing axis or obliquely through the thermal shielding components of the crucible construction and / or is affected by the breeding atmosphere.
Ein weiteres Verfahren zur Kontrolle des Kristallwachstumsprozesses beruht auf einer indirekten Bestimmung der Massenwachstumsrate über die Messung der zeitlichen Änderung des Schmelzvolumens. Bekannte meßtechnische Varianten dieser integralen Methode führen die Schmelzvolumenbestimmung auf eine Messung der Schmelzspiegelabsenkung während des Zuchtprozesses zurück. Diese Detektierung erfolgt z. B. unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit von Schmelze und Schmelztiegel über die abwechselnde Schließung und Öffnung eines elektrischen Stromkreises durch eine seitlich des wachsenden Einkristalles intermittierend von oben in die Schmelze eingetauchte metallische Elektrode, wobei jeweils während des Eintauchvorganges die vertikale Position der Kontaktelektrode bei Berührung des Schmelzspiegels als Kriterium für das aktuelle Schmelzniveau herangezogen wird (Perner, Stransky „Einige Besonderheiten der Automatisierung des Zuchtprozesses von Rubineinkristallen" /russ./ — Thesen des II. RGW-Symposiums über Automatisierung des Kristallzuchtprozesses, Prag, 29.11.1978). Nachteilig wirkt sich bei dieser Methode die nicht auszuschließende Schmelzverunreinigung durch das Elektrodenmaterial sowie die durch die Elektrode gestörte Symmetrie des Temperaturfeldes in der heißen Zone des Zuchtaufbaus aus. Die praktisch unvermeidliche Elektrodenkorrosion begrenzt die theoretisch mögliche hohe Meßgenauigkeit dieses integralen Meßverfahrens, bei dessen Anwendung allerdings keine direkten Informationen über die Form der Kristallisationsfront erhalten werden. Eine andere Variante zur Bestimmung der Schmelzspiegelabsenkung beruht auf der Auswertung der Änderung des elektrischen Widerstandes der zwischen bereits gewachsenem Kristall und der Wand des Schmelztiegels befindlichen Schmelze (DE-OS 2635093). Da der Meßstromkreis durch die Reihenschaltung der elektrischen Widerstände von Keimkristall, bereits gewachsenem Kristallabschnitt und der verbliebenen Schmelze gebildet wird, ist damit die Anwendbarkeit dieses Verfahrens praktisch auf die Züchtung von Halbleitereinkristallen beschränkt. Nach dem Stand der Technik ist auch eine kontaktlose interferometrische Messung der Schmelzspiegelabsenkung bekannt, bei der die Strecke zwischen einem Strahlenteiler und der Schmelzoberfläche Teil eines Michelson-Zweistrahl-Interferometers ist (DE-AS 2337169). Die Schmelzabsenkung wird dabei in Einheiten der verwendeten Lichtwellenlänge gemessen und zur Regelung der Ziehparameter herangezogen. Als Lichtquelle findet ein Laser Verwendung. Nachteilig ist bei dieser Anordnung vor allem deren große Empfindlichkeit gegenüber praktisch stets vorhandenen Vibrationen der Zuchtapparatur und durch Konvektionserscheinungen bedingten lokalen Bewegungen der Schmelzoberfläche, was zumindest eine sehr aufwendige Signalauswertung erfordert.Another method for controlling the crystal growth process is based on indirectly determining the mass growth rate by measuring the change over time of the melt volume. Known metrological variants of this integral method, the melt volume determination on a measurement of melt level reduction during the breeding process back. This detection takes place z. B. taking advantage of the electrical conductivity of melt and crucible on the alternate closure and opening of an electrical circuit by a laterally growing monocrystal intermittently from above into the melt immersed metallic electrode, each during the immersion process, the vertical position of the contact electrode upon contact of the melt level is used as criterion for the current melt level (Perner, Stransky "Some peculiarities of the automation of the growing process of ruby red crystals" /russ./ - Theses of the 2nd RGW symposium on automation of the crystal growing process, Prague, 29.11.1978) According to this method, the non - excludable enamel contamination by the electrode material as well as the symmetry of the temperature field in the hot zone of the growth structure, disturbed by the electrode, limits the practically unavoidable electrode corrosion theoretically possible high accuracy of measurement of this integral measuring method, in its application, however, no direct information about the shape of the crystallization front are obtained. Another variant for determining the melt level reduction is based on the evaluation of the change in the electrical resistance of the already grown crystal and the wall of the crucible located melt (DE-OS 2635093). Since the measuring circuit is formed by the series connection of the electrical resistances of seed crystal, already grown crystal section and the remaining melt, so that the applicability of this method is practically limited to the cultivation of semiconductor single crystals. According to the prior art, a contactless interferometric measurement of the melt level reduction is known in which the distance between a beam splitter and the melt surface is part of a Michelson two-beam interferometer (DE-AS 2337169). The melt reduction is measured in units of the wavelength of light used and used to control the drawing parameters. The light source is a laser. A disadvantage of this arrangement, especially their high sensitivity to virtually always existing vibrations of the breeding apparatus and caused by convection local movements of the enamel surface, which requires at least a very complex signal evaluation.
Eine ebenfalls bekannte Methode zur Stabilisierung des Kristallwachstumsprozesses beruht auf der gravimetrischen Kristalldurchmesserregelung (Gewichtsmethode). Dabei wird mit Hilfe eines oder mehrerer Gewichtsdetektoren der zeitliche Verlauf des Gewichtes des wachsenden Kristalls und/oder der Schmelze einschließlich des Schmelzmeniskusbereiches erfaßt. Die gebräuchlichen Varianten dieses Verfahrens unterscheiden sich hinsichtlich der Art der Detektoranordnung:A likewise known method for stabilizing the crystal growth process is based on the gravimetric crystal diameter control (weight method). In this case, the time profile of the weight of the growing crystal and / or the melt including the melt meniscus area is detected by means of one or more weight detectors. The common variants of this method differ with regard to the type of detector arrangement:
a) Registrierung des Gewichtes des wachsenden Kristalls, wobei sich der Gewichtsdetektor an oder in der Ziehspindel befindet (US-PS 2908004, DE-AS 1245317, DE-OS 1 519898, „Journal of Materials Science" 2 (1967, S.297-299; „Journal of Crystal Growth" 3,4 (1968), S.471-474; DE-OS 2208758; „Journal of Crystal Growth" 13,14(1972), S. 555-559; „Journal of Crystal Growth" 16 (1972), S. 277-279; „Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers'VJapan (1973), S. 595-600; DE-OS 2345048; US-PS 39349832; „Journal of Crystal Growth" 21 (1974), S. 283-286; GB-PS 1478192; DE-OS 2446293; „Pribory isistemy upravlenija" /russ. (1975) Nr.5, S.7-9; „Journal of Crystal Growth" 29 (1975), S.321-325; „Journal of Crystal Growth" 40 (1977), S. 13-28; „Journal of Crystal Growth" 42 (1977), S.473-482; Senff, I., Arsenev, P.A.: Vortragsthesen II. RGW-Kristallzucht-Automatisierungskolloquium, Prag, 29.11.1978);a) registration of the weight of the growing crystal, wherein the weight detector is located on or in the drawing spindle (US Pat. No. 2908004, DE-AS 1245317, DE-OS 1 519 898, "Journal of Materials Science" 2 (1967, p. 299; "Journal of Crystal Growth", 3,4 (1968), pp. 471-474; DE-A-2,208,758; "Journal of Crystal Growth", 13, 14 (1972), pp. 555-559; "Journal of Crystal Growth "16 (1972), pp. 277-279," Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers "Japan (1973), pp. 595-600, DE-OS 2345048, USP 39349832;" Journal of Crystal Growth "; 21 (1974), pp. 283-286; GB-PS 1478192; DE-OS 2446293; "Pribory isistemy upravlenija" / russ. (1975) No. 5, pp. 7-9; "Journal of Crystal Growth" 29 (British Pat. Journal of Crystal Growth 40 (1977), pp. 13-28; "Journal of Crystal Growth" 42 (1977), pp. 473-482; Senff, I., Arsenev, PA: Lecture Thesis II. RGW-Kristallzucht-Automatisierungskolloquium, Prague, 29.11.1978);
b) Registrierung des zeitlichen Verlaufs des Gewichtes der im Tiegel befindlichen Schmelze, wobei der Gewichtsdetektor unterhalb des Tiegelaufbaus innerhalb oder außerhalb des Rezipienten angeordnet ist (US-PS 2908004; US-PS 3259467; DE-OS 1519898; „Journal of Crystal Growth" 19 (1973), S. 187-192; „Materials Research Bulletin" 8(1973), S.443-450; „Bell Laboratories Record" 51 (1973), S. 30; „Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers'VJapan (1973),b) recording the time course of the weight of the melt contained in the crucible, wherein the weight detector is arranged below the crucible structure inside or outside the recipient (US-PS 2908004, US-PS 3259467, DE-OS 1519898, "Journal of Crystal Growth" 19 (1973), pp. 187-192; "Materials Research Bulletin" 8 (1973), pp. 443-450; "Bell Laboratories Record" 51 (1973) p. 30; "Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers 'V Japan (1973),
S. 595-600; „Acta Electronica" 17 (1974), S.45-55; GB-PS 1465191; „Journal of Crystal Growth" 24,25 (1974), S.369-373, 432-436; „Journal of Crystal Growth" 26 (1974), S. 1-5; „Materials Research Bulletin" 10 (1975), S.9-14,701-707; DE-OS 2513923; CH-PS 580805; „FUJITSU Scientific and Technical Journal "/Japan 12(1976) Nr. 1, S. 93-113; „Journal of Crystal Growth" 38 (1977), S. 206-212; „Journal of Crystal Growth" 40 (1977), S. 13-28; „Journal of Crystal Growth" 41 (1977), S. 262-274; „Journal of Crystal Growth" 42 (1977), S.473-482; Preprint FlAN Nr. 148, Moskva, 28.7.1978; KFKI-Report 1979— 16, Budapest 1979).Pp. 595-600; "Acta Electronica" 17 (1974), pp. 45-55; British Patent 1,465,191; "Journal of Crystal Growth" 24, 25 (1974), pp. 369-373, 432-436; "Journal of Crystal Growth" 26 (1974), pages 1-5; "Materials Research Bulletin" 10 (1975), pp. 9-14,701-707; DE-OS 2513923; CH-PS 580805; "FUJITSU Scientific and Technical Journal" / Japan 12 (1976) No. 1, pp. 93-113; "Journal of Crystal Growth" 38 (1977), pp. 206-212; "Journal of Crystal Growth" 40 (1977), pp. 13-28; "Journal of Crystal Growth" 41 (1977), pp. 262-274; "Journal of Crystal Growth" 42 (1977), pp. 473-482; Preprint FlAN No. 148, Moskva, 28.7.1978; KFKI Report 1979-16, Budapest 1979).
Weiterhin bestehen Unterschiede in der konstruktiven Ausführung des Kraftmeßgliedes, in der Meßsignalverarbeitung (analog/ digital) sowie bezüglich der kontrollierten Regelgröße (absoluter—d.h. integraler—Gewichtswert bzw. Massenwachstumsrate als dessen zeitliche Ableitung).There are also differences in the structural design of the force measuring element, in the measurement signal processing (analog / digital) as well as in the controlled controlled variable (absolute-i.e., integral-weight value or mass growth rate as its time derivative).
Nach entsprechender Signalauswertung werden auf der Basis des jeweils aktuellen Wertes des Gewichts und/oder der Massenwachstumsrate, welcher bei dieser Methode als für den tatsächlichen Verlauf des Kristallisationsprozesses relevanter Parameter herangezogen wird, geeignete Steuersignale gebildet, die über Regel- und Steuereinrichtungen der Kristallzuchtapparatur den Zuchtprozeß im Sinne einer automatischen Stabilisierung der Wachstumsbedingungen beeinflussen.After appropriate signal evaluation, suitable control signals are formed on the basis of the respectively current value of the weight and / or the mass growth rate, which is used in this method as parameters relevant for the actual course of the crystallization process, which control processes of the crystal growing apparatus control the breeding process in the Meaning of an automatic stabilization of growth conditions.
Trotz zahlreicher Einsatzvorteile dieser Methode erhält man bei ihrer alleinigen Anwendung keine direkten Informationen über Form und Dynamik der Kristallisationsfront. Da sich der erhaltene Gewichtswert von einer integralen Meßgröße ableitet, deren Betrag voraussetzungsgemäß den realen Wachstumsprozeß nur dann richtig widerspiegelt, wenn die Form der Kristallisatonsfront während des fortschreitenden Kristallwachstumsprozesses praktisch unverändert bleibt, führt die alleinige Anwendung der gravimetrischen Kristalldurchmesserregelung in der Praxis insbesondere dann zu unbefriedigenden Ergebnissen, wenn im Laufe des Zuchtprozesses — z.B. infolge hydrodynamischer Wechselwirkung in der Schmelze — strömungsinduzierte Phasengrenzeninstabilitäten auftreten. Letztere können von einem allein auf gravimetrischer Basis beruhenden Regelungssystem zumindest nicht rechtzeitig als solche erkannt werden und führen zu einer Fehlinterpretation des tatsächlichen Verlaufs des Kristallisationsprozesses durch das Stabilisierungssystem und damit zu Fehlregulierungen mit allen damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Kristallperfektion. Besonders deutlich tritt dieser prinzipielle Mangel der Gewichtsmethode beim Auftreten eines Interfaceumschlages während des Zuchtprozesses in Erscheinung, der sich makroskopisch als sprunghafte Durchmesseränderung des wachsenden Kristalls mit den damit verbundenen Störungen der Realstruktur manifestiert („Materials Research Bulletin" 10 [1975] S.701-707, „Journal of Materials Science" 11 [1976] S. 259-263, „Journal of Crystal Growth" 32 [1976] S. 89-94, „Materials Research Bulletin" 13 [1978] S. 675-680).Despite numerous application advantages of this method, when used alone, no direct information on the shape and dynamics of the crystallization front is obtained. Since the weight value obtained is derived from an integral measurand, the amount of which necessarily reflects the real growth process only if the shape of the crystallizational front remains virtually unchanged during the advancing crystal growth process, the sole application of the gravimetric crystal diameter control leads to unsatisfactory results in practice if in the course of the breeding process - eg due to hydrodynamic interaction in the melt, flow induced phase boundary instabilities occur. The latter can not be recognized as such by a control system based solely on a gravimetric basis, at least in time, and lead to a misinterpretation of the actual course of the crystallization process by the stabilization system and thus to erroneous adjustments with all the associated negative effects on the crystal perfection. This fundamental lack of the weight method occurs particularly clearly when an interface envelope occurs during the cultivation process, which manifests itself macroscopically as an abrupt change in diameter of the growing crystal with the associated disruptions of the real structure ("Materials Research Bulletin" 10 [1975] pp. 701-707 , "Journal of Materials Science" 11 [1976] pp. 259-263, "Journal of Crystal Growth" 32 [1976] pp. 89-94, "Materials Research Bulletin" 13 [1978] pp. 675-680).
Es ist Zweck der Erfindung, die beschriebenen Nachteile und Mängel des Standes der Technik zu beseitigen, den Kristallisationsprozeß bei der Kristallzüchtung aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen mit bewegtem Keimkristall weitestgehend zu objektivieren und den Züchtungsablauf zu automatisieren, die Qualität der erzeugten Kristalle zu erhöhen, die Arbeitsproduktivität zu steigern und damit insgesamt die Ökonomie des Züchtungsprozesses bei der Einkristallherstellung zu verbessern.It is an object of the invention to eliminate the disadvantages and deficiencies of the prior art described, to objectify the crystallization process in the crystal growth of melts, melt solutions and moving seed crystal solutions as far as possible and to automate the breeding process, to increase the quality of the crystals produced Increase labor productivity and thus improve the overall economy of the growth process in the production of single crystals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Anlagen zur Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen oder Lösungen mit bewegtem Keimkristall durch besondere Ausgestaltung und Dimensionierung eines Keimstangenhalters und einer mit ihm verbundenen Impfkeimstange, insbesondere durch Vermeiden einer „heißen" Verbindungsstelle zwischen Keimkristall und Keimhalterung, eine Möglichkeit für die stabile und reproduzierbare Befestigung einer auswechselbaren Keimkristallstange an der Ziehspindel der Zuchtapparatur zu schaffen und während des Zuchtvorganges den unmittelbaren Kristallisationsvorgang an der Wachstumsfront (Interface) sowie weitere prozeßrelevante Parameter charakterisierende und auswertbare Daten und Meßgrößen zu erhalten, die zur automatischen Steuerung des Kristallwachstumsprozesses, einschließlich der Anwendung adaptiver Regelsysteme, geeignet sind.The invention is based on the object in plants for the growth of single crystals of melts, melt solutions or solutions with moving seed crystal by special design and dimensioning of a germ bar holder and associated with Impfkeimstange, especially by avoiding a "hot" junction between seed crystal and seed holder, a Possibility for the stable and reproducible attachment of a replaceable seed crystal rod to the pulling spindle of the growing apparatus and to obtain during the growing process the immediate crystallization process on the growth front (interface) as well as further process-relevant parameters characterizing and evaluable data and measurands, for automatically controlling the crystal growth process, including the application of adaptive control systems.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Anordnung zur Ermittlung von den Kristallisationsprozeß charakterisierenden Daten und/oder Meßgrößen bei Anlagen zur Kristallzüchtung aus Schmelzen, Schmelzlösungen oder Lösungen mit einer rotierenden und axial bewegbaren Ziehspindel mit Keimstangenhalter dadurch gelöst, daß eine einen Keimkristall definierter kristallographischer Orientierung darstellende, unabhängig von der Drehzahl der justierten Ziehspindel und der Arbeitstemperatur stabile, reproduzierbare und leicht auswechselbare, einkristalline Impfkeimstange von hoher optischer Qualität vorgesehen ist, daß im Innern des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel, vorzugsweise in der Achse derselben, mindestens ein die von der Kristallisationszone und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehende thermische Strahlung und durch sie hindurchtretende, aus dem Schmelzvolumen sowie Bereichen derTiegelinnenwand stammende Hintergrundstrahlung detektierender Strahlungsempfänger und/oder Fremdstrahlung einer vorzugsweise in dem Keimstangenhalter oder in der Ziehspindel angeordneten thermischen oder nichtthermischen optischen Strahlungsquelle auf die Wachstumsfront richtende und von dieser reflektierte Strahlung auf diese Strahlungsempfänger leitende optische Elemente sowie Blenden- und Filteranordnungen vorgesehen sind, daß vorzugsweise mindestens ein zusätzlicher, einen oder mehrere weitere, den aktuellen Zustand des Kristallisationsprozesses charakterisierende Parameter messender Detektor im Inneren des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel angeordnet ist.According to the invention, this object is achieved in an arrangement for determining the crystallization process characterizing data and / or measured quantities in plants for crystal growth of melts, melt solutions or solutions with a rotating and axially movable pulling spindle with germ bar holder characterized in that a seed crystal of a defined crystallographic orientation representing, regardless provided by the speed of the adjusted drawing spindle and the working temperature stable, reproducible and easily replaceable, monocrystalline Impfkeimstange of high optical quality is that inside the Keimstangenhalters or the drawing spindle, preferably in the axis thereof, at least one of the crystallization zone and its immediate vicinity outgoing thermal radiation and through them, originating from the melt volume and areas of the crucible inner wall background radiation detecting radiation receiver and / or For external radiation of a preferably arranged in the Keimstangenhalter or in the drawing spindle thermal or non-thermal optical radiation source on the growth front and directed by this reflected radiation on these radiation receiver conductive optical elements and aperture and filter arrangements are provided that preferably at least one additional, one or more more , the current state of the crystallization process characterizing parameter measuring detector is disposed inside the germ bar holder or the drawing spindle.
Daß die Impfkeimstange entlang ihrer Längserstreckung mindestens einen undotierten und einen dotierten Bereich umfaßt, wobei der dotierte Bereich sowohl Wärmestrahlung absorbierende Eigenschaften für mindestens einen bestimmten, vom Spektrum des von der absoluten Temperatur der Kristallisationszone abhängigen und dem dieser Temperatur entsprechenden Strahlungsmaximum angepaßten Spektralbereich aufweist und gleichzeitig in geeigneten Spektralbereichen einen selektiven Strahlungsleiter darstellt.That the seedbed comprises at least one undoped and doped region along its longitudinal extent, the doped region having both heat radiation absorbing properties for at least one spectral range adapted to the spectrum of the spectral region dependent on the absolute temperature of the crystallization zone and the radiation maximum corresponding to that temperature; suitable spectral ranges represents a selective radiation conductor.
Dabei ist es vor allem zwecks Verhinderung einer unerwünschten Verunreinigung der Schmelze durch die im dotierten Bereich der Impfkeimstange enthaltenen Dotierungselemente vorteilhaft, daß der dotierte Bereich in dem dem Keimstangenhalter benachbarten — d. h. der Schmelze abgewandten — Teil der Impfkeimstange vorgesehen ist. Zur Erzielung des gewünschten Absorbtionsverhaltens der einkristallinen Impfkeimstange ist es zweckmäßig, daß deren dotierter Bereich als Dotierung Ionen mindestens eines der Elemente Dysprosium, Holmium, Erbium oder Thulium enthält.It is particularly advantageous for the purpose of preventing undesired contamination of the melt by the doping elements contained in the doped region of the Impfkeimstange that the doped region in the germ bar holder adjacent - d. H. the melt facing away - part of Impfkeimstange is provided. In order to achieve the desired absorption behavior of the monocrystalline Impfkeimstange it is desirable that their doped region contains as doping ions of at least one of the elements dysprosium, holmium, erbium or thulium.
Für die Ermittlung von den Kristallisationsprozeß charakterisierenden Meßgrößen ist es insbesondere bei der Hochtemperaturzüchtung vorteilhaft, daß der dotierte Bereich der Impfkeimstange in für Farbtemperaturmessungen (Quotientenpyrometer) geeigneten schmalbandigen Spektralbereichen, vorzugsweise im Bereich von 1 000 bis 3000nm, strahlungsdurchlässig ist.For the determination of measurement variables characterizing the crystallization process, it is advantageous, in particular in high-temperature cultivation, for the doped region of the seed nucleus to be radiation-transmissive in narrow-band spectral ranges suitable for color temperature measurements (quotient pyrometers), preferably in the range from 1000 to 3000 nm.
Vor allem im Sinne einer weitgehenden Verhinderung der Wärmeabfuhr aus der Kristallisationszone durch die Impfkeimstange ins Innere des Keimstangenhalters ist es zweckmäßig, daß die Dotierungskonzentration in Abhängigkeit von der Länge des dotierten Bereichesund von dem für den Einbau der betreffenden Ionen wirksamen Verteilungskoeffizienten 2 bis 20 Mol. -% beträgt und daß an der Impfkeimstange wärmeabschirmende und/oder wärmeabführende Elemente vorgesehen sind. Die Registrierung der während des Zuchtprozesses von der Kristallisationszone und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehenden sowie der durch sie hindurchtretenden, aus dem Schmelzvolumen sowie Bereichen der Tiegelinnenwand stammenden Hintergrundstrahlung mit Hilfe einer auf dem Teilstrahlungsmeßprinzip beruhenden Pyrometeranordnung wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß nur ein Strahlungsdetektor in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel angeordnet ist und daß sich zwischen diesem Strahlungsdetektor und der Impfkeimstange ein schmalbandiges Interferenzfilter befindet, dessen nominelles spektrales Durchlässigkeitsmaximum auf einen, von den verwendeten Dotierungselementen beeinflußten Spektralbereich abgestimmt ist, in dem die dotierte Impfkeimstange einen selektiven Strahlungsteiler darstellt, wobei dem schmalbandigen Interferenzfilter im Strahlengang ein breitbandiges Ordnungsfilter zusätzlich vorgeschaltet sein kann.Especially in the sense of largely preventing the heat removal from the crystallization zone through the Impfkeimstange inside the Keimstangenhalters, it is expedient that the doping concentration depending on the length of the doped region and of the effective for the incorporation of the respective ions distribution coefficient 2 to 20 mol. % and that on the Impfkeimstange heat-shielding and / or heat dissipating elements are provided. The registration of the background radiation emanating from the melting zone and regions of the crucible inner wall during the growing process from the crystallization zone and its immediate surroundings and by means of a pyrometer arrangement based on the partial radiation measuring principle is advantageously achieved by having only one radiation detector in the axis of the Keymstangenhalters or the pulling spindle is arranged and that is located between this radiation detector and the Impfkeimstange a narrow-band interference filter whose nominal spectral transmittance maximum is tuned to one, influenced by the doping elements used spectral region in which the doped Impfkeimstange represents a selective radiation splitter, the narrow-band interference filter In the beam path, a broadband order filter may be additionally connected upstream.
Eine weitere Verbesserung des erreichbaren Temperaturauflösungsvermögens bei gleichzeitiger Verminderung des verfälschenden Einflusses von Drifterscheinungen, hervorgerufen insbesondere durch nicht vollständig ausschließbare thermische Einflüsse auf die eingesetzten Strahlungsdetektoren, wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, daß als Strahlungsempfänger vorzugsweise Si-Photoelemente in einer Verhältnispyrometeranordnung (Quotientenpyrometer) eingesetzt werden, bei der die ermittelten Temperaturwerte aus dem Verhältnis der Strahlungsdichten in mindestens zwei Spektraibereichen bestimmt werden. Vorteilhaft wird in der Verhältnispyrometeranordnung nur ein einzelner Strahlungsempfänger eingesetzt, der im Meßstrahlengang fest angeordnet ist und der aus der Kristallisationszone durch den wachsenden Kristall und die Impfkeimstange in für Farbtemperaturmessungen geeigneten, durch das Absorptionsverhalten der im dotierten Bereich der Impfkeimstange befindlichen Seltenerdionen festgelegten, schmalbandigen Spektralbereichen auf ihn gelangenden Strahlung in alternierender Folge ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß zwischen der Impfkeimstange und den in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel befindlichen Strahlungsdetektoren ein durch die Ziehspindel angetriebenes, in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene rotierendealnterferenzfilter mit mindestens zwei Sektoren unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit angeordnet ist, wobei die Rotationsachse des Filters parallel zur Ziehspindelachse liegt, daß diese Filtersektoren so zueinander angeordnet sind, daß sie im Verlauf einer Umdrehung des Filters zeitlich nacheinander in den Meßstrahlengang eingeschaltet werden, daß dem rotierenden sektorförmigen Interferenzfilter im Strahlengang ein breitbandiges Ordnungsfilter zusätzlich vorgeschaltet sein kann und daß ein Markengeber vorgesehen ist, der immer dann an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit einen Triggerimpuls abgibt, wenn ein auf der Winkelhalbierenden des azimutalen Öffnungswinkels eines Filtersektors befindliches Gebiet des rotierenden Interferenzfilters den Meßstrahlengang durchquert.A further improvement of the achievable temperature resolution while reducing the distorting influence of Drifterscheinungen, caused in particular by not completely excludable thermal influences on the radiation detectors used, is advantageously achieved in that are preferably used as radiation receiver Si photoelements in a ratio pyrometer (quotient pyrometer) at the determined temperature values are determined from the ratio of the radiation densities in at least two spectral ranges. Advantageously, only a single radiation receiver is used in the ratio pyrometer arrangement, which is fixedly arranged in the measuring beam path and the narrowband spectral ranges determined by the absorption behavior of the rare earth ions present in the doped region of the seed germinal rod from the crystallization zone through the growing crystal and the seed germ rod in suitable color temperature measurements exposure to radiation is exposed in an alternating sequence. According to the invention this is achieved in that between the Impfkeimstange and located in the axis of the Keimstangenhalters or the drawing spindle radiation detectors driven by the drawing spindle, disposed in a direction perpendicular to the spindle axis Rotärealnterferenzfilter with at least two sectors of different spectral transmittance, wherein the axis of rotation of Filters is parallel to the Ziehspindelachse that these filter sectors are arranged to each other so that they are turned on in the course of one revolution of the filter in succession in the Meßstrahlengang that the rotating sector-shaped interference filter in the beam path, a broadband order filter may be additionally upstream and that a brand transmitter is provided which then always emits a trigger pulse to a downstream evaluation unit if one is located on the bisector of the azimuthal opening angle of a filter sector s area of the rotating interference filter passes through the Meßstrahlengang.
Die Realisierung des hochauflösenden und driftarmen Verhältnispyrometerprinzips, bei dem nur ein Strahlungsempfänger alternierend in mindestens zwei verschiedenen, schmalbandigen Spektralbereichen derzu detektierenden Temperaturstrahlung ausgesetzt wird, läßt sich weiterhin mit der beschriebenen Anordnung erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch erreichen, daß zwischen der Impfkeimstange und den in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel befindlichen Strahlungsdetektoren ein durch die Ziehspindel angetriebenes, in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene rotierendes, an sich bekanntes, Verlauf-Interferenzfilter angeordnet ist, wobei die Rotationsachse des Verlauf-Interferenzfilters in einem einstellbaren Abstand a von der Ziehspindelachse verläuft, und daß ein Markengeber vorgesehen ist, der immer dann an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit einen Triggerimpuls abgibt, wenn der jeweils durchstrahlte Filterbereich den je nach eingestelltem Abstand a erreichbaren Wellenlängenextrema (Xmin bzw. Amax) entspricht.The realization of the high-resolution and drift-poor ratio pyrometer principle, in which only one radiation receiver is exposed alternately in at least two different, narrow-band spectral regions of the temperature radiation to be detected, can be achieved according to the invention advantageously characterized in that between the Impfkeimstange and in the axis of the Keimstangenhalters or the drawing spindle located radiation detectors driven by the drawing spindle, in a plane perpendicular to the spindle axis plane, known per se, gradient interference filter is arranged, wherein the axis of rotation of the gradient interference filter extends at an adjustable distance a from the Ziehspindelachse, and that a Brand transmitter is provided, which always emits a trigger pulse to a downstream evaluation unit when the respective filtered through the filter area depending on the set distance a reachable Wavelength extreme (X min or A max ) corresponds.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Meßanordnung besteht darin, daß für die praktische Realisierung einer sequentiellen spektralen Filterung der aus der Kristallisationszone auf den Strahlungsdetektor gelangenden Temperaturstrahlung — im Unterschied zur Verwendung eines speziell für den vorgesehenen Einsatzfall mit hohem Aufwand zu fertigenden sektorförmigen Interferenzfilters — ein handelsübliches Verlauf-Interferenzfilter (VIF) einsetzbar ist. Dieses VIF bedarf keiner nachträglichen mechanischen Bearbeitung, was im Hinblick auf dessen erforderliche lange Lebensdauer und zeitliche Konstanz der optischen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung ist.A significant advantage of this measuring arrangement is that for the practical realization of a sequential spectral filtering of the reaching of the crystallization from the radiation detector temperature radiation - in contrast to the use of a specially designed for the intended use with high effort sector-shaped interference filter - a commercial gradient interference filter (VIF) can be used. This VIF requires no subsequent mechanical processing, which is in view of its required long life and temporal consistency of the optical properties of crucial importance.
Den sich mit fortschreitendem Wachstumsprozeß ändernden Zuchtbedingungen Rechnung tragend, ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, während des Zuchtvorganges über mindestens zwei verschiedene Meßkanäle simultan Meßwerte zu erhalten, die von den Wachstumsprozeß beeinflussenden und/oder charakterisierenden Parametern unterschiedlicher physikalischer Natur abgeleitet sind und welche sich nach geeigneter Sig'nalbehandlung und -auswertung, vorzugsweise unter Einbeziehung von Verfahren der Korrelationsmeßtechnik, als prozeßrelevante Eingangsgrößen für ein fortgeschritteneres, mehrkanaliges Regelungssystem mit adaptivem Regelungsverhalten eignen, dessen Einsatz in Kristallzuchtanlagen, zweckmäßigerweise unter Einbeziehung eines Prozeßrechners, eine automatische Optimierung der Kristallwachstumsbedingungen über den gesamten Verlauf des Züchtungsprozesses ermöglicht. Die Anwendung sich automatisch optimierender Kontroll- und Regelungsalgorithmen zur Überwachung und gezielten Beeinflussung des Kristallisationsprozesses bildet eine wesentliche Voraussetzung zur Züchtung von Einkristallen hoher Perfektion. Dieses Ziel wird mit Hilfe der beschriebenen Anordnung dadurch erreicht, daß an einem vor thermischer Belastung, chemischen Einflüssen der Zuchtatmosphäre und elektromagnetischen Störfeldern ausreichend geschützten Ort im Innern des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel wahlweise mindestens noch ein anderer als zur Registrierung thermischer und/oder nichtthermischer optischer Strahlung (Laser) dienenden Detektor geeigneter konstruktiver Ausführung so angebracht ist, daß eine unbehinderte gleichzeitige Registrierung des zeitlichen Verlaufs der Werte mindestens zweier verschiedener, den aktuellen Zustand des Kristallisationsprozesses charakterisierender Parameter ermöglicht wird, d. h. daß trotz der räumlich benachbarten Anordnung der unterschiedlichen Detektoren keine apparativ und/oder durch das Meßprinzip bedingte störende gegenseitige Beeinflussung der in den verschiedenen Meßkanälen erhaltenen Meßwerte erfolgt. Besonders aussagekräftige, den aktuellenTaking into account the breeding conditions which change as the growth process progresses, the arrangement according to the invention makes it possible simultaneously to obtain measured values which are derived from the growth process influencing and / or characterizing parameters of different physical nature and which, according to suitable sig., Are obtained via at least two different measuring channels during the growing process 'Nalbehandlung and evaluation, preferably involving correlation techniques, as process-relevant input variables for a more advanced, multi-channel control system with adaptive control behavior are suitable, its use in crystal growing systems, expediently involving a process computer, an automatic optimization of crystal growth conditions over the entire course of the breeding process allows. The application of automatically optimizing control and regulation algorithms for monitoring and targeted influencing of the crystallization process is an essential prerequisite for the growth of single crystals of high perfection. This object is achieved by means of the described arrangement in that at a sufficiently protected from thermal stress, chemical influences of the breeding atmosphere and electromagnetic interference in the interior of the germ bar or the pulling spindle at least one other than to register thermal and / or non-thermal optical radiation (Laser) detector of suitable constructive design is mounted so as to allow unimpeded simultaneous registration of the time course of the values of at least two different parameters characterizing the current state of the crystallisation process, i. H. in spite of the spatially adjacent arrangement of the different detectors, there is no disruptive mutual influencing of the measured values obtained in the various measuring channels due to the measuring principle. Particularly meaningful, the current
Verlauf des Kristallisationsprozesses charakterisierende Meßwerte werden insbesondere dann erhalten, wenn der andere als zur Registrierung thermischer und/oder nichtthermischer optischer Strahlung dienende Detektor ein Gewichtsdetektor ist. Durch die Anwendung der Erfindung wird die insbesondere bei der Hochtemperaturzüchtung (HTZ) von Einkristallen bisher nur unbefriedigend erfüllte Forderung nach Verfügbarkeit einer leicht zu handhabenden, häufig wiederverwendbaren, als Keimkristall dienenden Impfkeimstange erfüllt, bei deren Einsatz die genaue, stabile und reproduzierbare Lage des definiert kristallographisch orientierten Keimkristalls unabhängig von der Drehzahl der Ziehspindel und der Arbeitstemperatur garantiert ist.Measurements characterizing the course of the crystallization process are obtained, in particular, when the other detector used for registering thermal and / or non-thermal optical radiation is a weight detector. By applying the invention, the fulfillment of an easy-to-handle, frequently reusable, seed crystal seedling germ, which has hitherto met only unsatisfactorily in high-temperature breeding (HTZ) of monocrystals, is achieved by the precise, stable and reproducible position of the defined crystallographic oriented seed crystal is guaranteed regardless of the speed of the pulling spindle and the working temperature.
In Erfüllung dieser Forderung ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, beim unvorhergesehenen Erstarren der Schmelze, hervorgerufen z. B. durch Störungen im Energieversorgungsnetz oder plötzlich auftretende Defekte in der Heizenergiequelle der Kristallzuchtapparatur, den Bruch der Impfkeimstange bzw. des an ihr bereits angewachsenen Einkristalls zu verhindern, indem Teile des zwischen Ziehspindel und Impfkeimstange angeordneten Keimstangenhalters im Sinne einer drehmomentabhängigen „Rutschkupplung" wirken und dadurch die Scherkräfte der in solchen Fällen weiterrotierenden Ziehspindel nicht auf den in der erstarrten Schmelze/Schmelzlösung festsitzenden Einkristall übertragen werden. Auf Grund ihres hinreichend großen Abstandes von der heißen Kristallisationszone sowie der stark wärmeabsorbierenden Wirkung des dotierten Bereiches der einkristallinen Impfkeimstange in Verbindung mit den an ihr zusätzlich angebrachten wärmeabschirmenden und/oder wärmeabführenden Elementen befinden sich Rutschkupplung und Einspannstelle der Impfkeimstange in einem ausreichend kühlen Bereich in der Nähe der üblicherweise wassergekühlten Ziehspindel, so daß an dieser Stelle herkömmliche Spannfutter und gewöhnliche Rutschkupplungsausführungen anwendbar sind. Zum Schutz der im Keimstangenhalter angeordneten empfindlichen Detektoren vor der von der heißen Zone abgegebenen thermischen Energie ist ein von der jeweiligen Arbeitstemperatur abhängiger Mindestabstand zwischen ihnen und der Kristallisationszone notwendig, der—insbesondere bei der HTZ — eine relativ große Länge der Impfkeimstange erfordert. Dabei kommt deren erfindungsgemäße Ausführung als durchgängig einkristalline Impfkeimstange gleichzeitig der Forderung nach ausreichender mechanischer Stabilität entgegen. Deren Absolutwert ist jedoch nicht nur von der Realstruktur abhängig, sondern wird auch durch materialspezifische Eigenschaften limitiert, was im konkreten praktischen Einsatzfall zu berücksichtigen ist. Die Einsatzvorteile der beschriebenen einkristallinen Impfkeimstange sind insbesondere bei hohen Arbeits-(d.h.Kristallisations-) temperaturen augenscheinlich, obgleich deren Anwendbarkeit auch bei der Kristallzüchtung aus Schmelzlösungen/Lösungen, die i. a. in niederen absoluten Temperaturbereichen erfolgt, gegeben ist. Besonders positiv wirkt sich der Wegfall eines thermisch hochbeanspruchten, als Verlängerungsstück dienenden, nicht einkristallinen Bauteiles (z. B. einer Keramikstange bzw. eines -rohres o.a.) zwischen eigentlichem Keimkristall und der Befestigungsstelle an der Ziehspindel und damit die Vermeidung einer thermisch stark belasteten und daher kritischen Verbindungsstelle zwischen dem Keimkristall und einem üblicherweise verwendeten, nicht einkristallinen Verlängerungsstück aus, da esbei der HTZ gewöhnlich zu unerwünschten und kaum reproduzierbaren Verzugserscheinungen dieses nicht einkristallinen Bauteiles während der Aufheizphase sowie im weiteren Verlauf des Zuchtprozesses kommt, was trotz sorgfältig vorgenommener Justierung vor Zuchtbeginn —d. h. im kalten Zustand —zu unkontrollierten und unerwünschten—wsii'ka. schädlichen— Mißorientierungen der Lage des Keimkristalls bezüglich der durch die Achse der Ziehspindel vorgegebenen Ziehrichtung im heißen Betriebszustand führt. Der Einsatz der einkristallinen Impfkeimstange von hoher optischer Qualität und guter mechanischer Stabilität in der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht ihre Verwendung als Teil eines Meßkanals im optischen (einschließlich Infrarot-) Bereich elektromagnetischer Strahlung. Je nach Dotierungsart und -konzentration sowie Längsausdehnung des dotierten Bereiches der Impfkeimstange wirkt diese als selektiver Lichtleiterfür bestimmte, relativ schmale Spektralbereiche des Spektrums der während des Zuchtprozesses von der Kristallisationszone und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehenden sowie der durch sie hindurchtretenden, aus dem Schmelzvolumen sowie Bereichen der Tiegelinnenwand stammenden Hintergrundstrahlung. Somit besteht der gesamte Meßkanal im optischen Bereich aus einer Anordnung, die aus dem wachsenden Kristall selbst und der erfindungsgemäßen Impfkeimstange gebildet wird. In Verbindung mit deren form-und kraftschlüssiger Befestigung am Keimstangenhalter wirkt die eingesetzte Impfkeimstange gleichzeitig als hermetische Abdichtung zwischen den im Keimstangenhalter untergebrachten empfindlichen Detektoranordnungen und der häufig aggressiven Zuchtatmosphäre. Letztere ist, vor allem bei der HTZ, in der Umgebung der heißen Zone des Zuchtaufbaus gewöhnlich mit abdampfenden Bestandteilen der Schmelze, des Tiegeleinbettungsmaterials sowie flüchtigen Produkten der thermischen Dissoziation der Schmelze angereichert. Bei Bedarf, z. B. aus konstruktiven Erfordernissen, kann dieser optische Meßkanal ohne nachteilige Auswirkungen auf die Meßmöglichkeiten noch um einen zwischen der der Ziehspindel zugewandten Stirnfläche der Impfkeimstange und dem jeweils eingesetzten Strahlungsdetektor befindlichen Zwischenraum verlängert werden, in dem als kennzeichnendes Merkmal eine von der im RezipientenderZuchtapparaturaufrechterhaltenen Zuchtatmosphäre (einschließlich Vakuum) hermetisch abgeschlossene, die Messungen nicht beeinträchtigende Atmosphäre (z.B. Inertgas oder Luft) herrscht oder der durch ein anderes, im optischen Bereich transparentes Medium ausgefüllt ist.In fulfillment of this requirement allows the arrangement according to the invention, in the event of unforeseen solidification of the melt, caused z. B. by disturbances in the power grid or sudden defects in the heating energy source of the crystal growing apparatus to prevent the breakage of Impfkeimstange or already grown on her single crystal parts of the arranged between pulling spindle and Impfkeimstange Keimstangenhalters in terms of a torque-dependent "slip clutch" and thereby due to their sufficiently large distance from the hot crystallization zone as well as the strong heat absorbing effect of the doped region of the monocrystalline seed in combination with those on it attached heat-shielding and / or heat-dissipating elements are slipping clutch and Einspannstelle the Impfkeimstange in a sufficiently cool area in the vicinity of the usual water-cooled drawing spindle, so that at this point conventional chucks and ordinary slip clutch designs are applicable. To protect the arranged in Keimstangenhalter sensitive detectors in front of the output of the hot zone thermal energy dependent on the respective operating temperature minimum distance between them and the crystallization zone is necessary, which requires a relatively large length of Impfkeimstange-especially in the HTZ. At the same time, their embodiment according to the invention as a consistently monocrystalline seed germ cage counteracts the requirement for adequate mechanical stability. However, their absolute value is not only dependent on the real structure, but is also limited by material-specific properties, which must be taken into account in the concrete practical application case. The operational advantages of the described monocrystalline Impfkeimstange are especially at high working (dhKristallisations-) temperatures evident, although their applicability is also given in the crystal growth of melt solutions / solutions, which generally takes place in lower absolute temperature ranges. Particularly positive is the elimination of a thermally highly stressed, serving as an extension piece, not monocrystalline component (eg., A ceramic rod or a tube above) between actual seed crystal and the attachment point on the pulling spindle and thus avoiding a thermally heavily loaded and therefore critical juncture between the seed crystal and a commonly used, non-single crystalline extension, since in HTZ there is usually undesirable and barely reproducible distortion of this non-single crystal component during the heating phase and later in the growing process, despite careful adjustment prior to start of growth - d , H. in a cold state-to uncontrolled and unwanted-wsii'ka. damaging misalignments of the position of the seed crystal with respect to the predetermined by the axis of the pulling spindle pulling direction in the hot operating state leads. The use of the monocrystalline seed bar of high optical quality and good mechanical stability in the inventive arrangement allows its use as part of a measuring channel in the optical (including infrared) range of electromagnetic radiation. Depending on the type and concentration of doping and the longitudinal extent of the seeded germinal rod, it acts as a selective optical fiber for certain relatively narrow spectral regions of the spectrum of the spectrum emanating from and passing through the crystallization zone and its immediate surroundings during the growth process, from the melt volume and interior crucible wall regions originating background radiation. Thus, the entire measuring channel in the optical region consists of an arrangement which is formed from the growing crystal itself and the Impfkeimstange invention. In conjunction with their positive and non-positive attachment to the germ bar holder, the seed bar used simultaneously acts as a hermetic seal between the sensitive detector arrangements housed in the germ bar holder and the often aggressive breeding atmosphere. The latter, especially in the HTZ, in the vicinity of the hot zone of the breeding structure, is usually enriched with evaporating constituents of the melt, the crucible embedding material and volatile products of the thermal dissociation of the melt. If necessary, z. B. from constructive requirements, this optical measuring channel can be extended without adverse effects on the measurement still to a between the the drawing spindle facing end face of the Impfkeimstange and the particular radiation detector used interstice, in which as a characteristic feature of a maintained in the recipient of the breeding apparatus breeding atmosphere (including Vacuum) hermetically sealed, non-measuring atmosphere prevails (eg inert gas or air) or is filled by another, transparent in the optical range medium.
Schließlich läßt sich unter Ausnutzung der genannten Merkmale des optischen Meßkanals durch den Einsatz einer vorzugsweise im Keimstangenhalter, in der Ziehspindel oder deren axialer Verlängerung angeordneten, thermischen oder nichtthermischen optischen Strahlungsquelle ein direkter experimenteller Zugang in-situ-Kontrolle des räumlichen Verlaufs und der zeitlichen Änderungen der Interfaceform erreichen, deren Verhalten für den Fortgang des Kristallisationsprozesses von wesentlicher Bedeutung ist und die — insbesondere bei der Hochtemperatur-Kristallzüchtung nach dem Czochralski-Verfahren — einer vergleichbaren on-line-Kontrolle mittels herkömmlicher Methoden nicht zugänglich ist.Finally, taking advantage of the above-mentioned features of the optical measuring channel by the use of a preferably in Keimstangenhalter, in the drawing spindle or its axial extension arranged thermal or non-thermal optical radiation source can be a direct experimental access in-situ control of the spatial course and temporal changes Interface form whose behavior is essential for the progress of the crystallization process and which - in particular in the high-temperature crystal growth according to the Czochralski method - a comparable on-line control by conventional methods is not accessible.
Erfindungsgemäß wird die Kontrolle des Interfaceverhaltens und — gestützt auf die dabei im Echtzeit-Maßstab erhaltenen Informationen — deren gezielte Beeinflussung dadurch verwirklicht, daß ein aktives Verfahren der optischen Lokalisierung der Wachstumsfront angewendet wird, indem durch den optischen Meßkanal hindurch auf definierte Gebiete der Phasengrenzfläche zwischen dem wachsenden Kristall und seiner Schmelze/Schmelzlösung ein gebündelter Lichtstrahl gerichtet und der an der Interface reflektierte, durch den optischen Meßkanal zum Strahlungsempfänger zurückgelangende Teil dieses Meßlichtes als Nutzsignal empfangen sowie dessen zeitliche und räumliche Intensitätsverteilung in geeigneter Weise ausgewertet wird. Zweckmäßigerweise findet dabei als Fremdstrahlungsquelle ein LASER Verwendung, wobei dessen charakteristische hohe spektrale Strahldichte insbesondere dadurch vorteilhaft zur Geltung kommt, daß bei der Signalauswertung die Trennung des relativ schwachen Nutzsignals von der störenden thermischen Hintergrundstrahlung durch Anwendung einer schmalbandigen spektralen Filterung unterstützt wird.According to the invention, the control of the interface behavior and - based on the information obtained in the real time scale - their targeted influencing realized by an active method of optical localization of the growth front is applied by passing through the optical measuring channel on defined areas of the phase interface between the directed crystal and its melt / melt solution, a focused beam of light and reflected at the interface, received by the optical measuring channel to the radiation receiver zurückgelangende part of this measuring light as a useful signal and its temporal and spatial intensity distribution is evaluated in a suitable manner. Expediently, a LASER is used as a source of extraneous radiation, the characteristic high spectral radiance of which is particularly advantageous in that, in the signal evaluation, the separation of the relatively weak useful signal from the interfering thermal background radiation is supported by the use of narrow-band spectral filtering.
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Mit dieser Anordnung läßt sich auch vorteilhaft ein hochauflösendes, interferometrisches Meßverfahren zur Detektierung des dynamischen Verhaltens der Interface während des Wachstumsprozesses verwirklichen, bei dem der aus dem bereits gewachsenen Kristallabschnitt und der erfindungsgemäß einkristallinen, bereichsweise speziell dotierten Impfkeimstange hoher optischer Qualität bestehende optische Meßkanal einen Teil einer Michelson-Interferometeranordnung darstellt. Schließlich lassen sich aus dem Charakter des Meßsignals, welches bei diesem aktiven Verfahren zur optischen Lokalisierung der Wachstumsfront unter Benutzung der erfindungsgemäßen einkristallinen Impfkeimstange erhalten wird, neben Aussagen über Form und zeitliches Verhalten der Interface in bestimmten Fällen noch weitere Informationen ableiten. Dies betrifft vor allem die Möglichkeit einer möglichst frühzeitigen Feststellung des Auftretens von Einschlüssen, wie z. B. von Tiegelmaterialpartikeln, Gasbläschen oder sonstigen fremden Phasen im wachsenden Einkristall, deren Vorhandensein im Kristall dessen Eignung für den vorgesehenen Einsatz meist ausschließt und somit beträchtliche ökonomische Verluste mit sich bringt. Das Auftreten genannter Einschlüsse kann durch sehr unterschiedliche Ursachen bedingt sein, z. B. durch konstitutionelle Unterkühlung, stöchiometrische Abweichungen oder unkontrollierte Verunreinigungen der eingesetzten Charge, Reaktion des Schmelzguts mit dem Tiegelmaterial und/oder der Zuchtatmosphäre, thermische Dissoziationsvorgänge in der heißen Zone mit anschließender Sublimation der flüchtigen Komponenten, chemische Transportreaktionen, Bläschen- oder Partikeleinfang durch eine rauhe Wachstumsfront u. a. m., so daß sich in der Praxis der Kristallzüchtung solche Erscheinungen trotz sorgfältiger Versuchsvorbereitung und -durchführung nicht vollständig ausschließen lassen. Es ist daher— besonders bei den zur Herstellung dotierter dielektrischer Einkristalle für den Einsatz als aktives Lasermedium üblicherweise notwendigen langen Zuchtzeiten — von großer volkswirtschaftlicher Bedeutung, bereits während des Zuchtprozesses verläßlich Kenntnis vom Auftreten derartiger Erscheinungen zu erhalten, um entweder noch Gegenmaßnahmen treffen zu können (z. B. durch Stoppen des Wachstumsprozesses und Fortsetzung des Zuchtvorganges nach dem Zurückschmelzen eines Teils des bereits gewachsenen Einkristalls sowie Treffen geeigneter Vorkehrungen gegen das wiederholte Auftreten dieser Einschlüsse), oder um wenigstens den Zuchtprozeß begründet abzubrechen, damit die betreffende Kristallzuchtanlage möglichst bald für die nächste Züchtung genutzt werden kann.With this arrangement, a high-resolution, interferometric measuring method for detecting the dynamic behavior of the interface during the growth process can be realized advantageously in which the existing optical measuring channel from the already grown crystal portion and the invention monocrystalline, partially doped seed germination rod high optical quality part of a Michelson interferometer arrangement represents. Finally, in addition to statements about the form and temporal behavior of the interface, further information can be derived from the character of the measurement signal which is obtained in this active method for the optical localization of the growth front using the monocrystalline seed germ cage according to the invention. This concerns above all the possibility of an early detection of the occurrence of inclusions, such. As of Tiegelmaterialpartikeln, gas bubbles or other foreign phases in the growing single crystal whose presence in the crystal usually excludes its suitability for the intended use and thus brings considerable economic losses. The occurrence of said inclusions can be caused by very different causes, eg. B. by constitutional supercooling, stoichiometric deviations or uncontrolled impurities of the charge used, reaction of the melt with the crucible material and / or the culture atmosphere, thermal dissociation processes in the hot zone with subsequent sublimation of the volatile components, chemical transport reactions, bubble or particle capture by a rough Growth front and a. m., so that in the practice of crystal growth such phenomena can not be completely ruled out despite careful trial preparation and implementation. It is therefore of great economic importance, especially during the production of doped dielectric single crystals for use as an active laser medium usually necessary long breeding times to obtain already during the breeding process knowledge of the occurrence of such phenomena, either to take countermeasures can (z B. by stopping the growth process and continuing the breeding process after the melt back of a part of the already grown single crystal and taking appropriate precautions against the repeated occurrence of these inclusions), or at least cancel the breeding process reasonably, so that the respective crystal growing plant as soon as possible for the next breeding can be used.
Durch die Anwendung der Erfindung ist es möglich, simultan über verschiedene Meßkanäle solche Meßwerte zu erhalten, die für Vorgänge relevant sind, welche sich unmittelbar im Bereich der Kristallisationszone sowie im Gebiet des den wachsenden Kristall umgebenden Schmelzmeniskus abspielen.By the application of the invention it is possible to obtain simultaneously via different measuring channels such measured values which are relevant for processes which take place directly in the region of the crystallization zone as well as in the region of the melt meniscus surrounding the growing crystal.
Von wesentlicher Bedeutung ist es, daß dabei im Unterschied zu vergleichbaren bekannten Meßmethoden die Registrierung dieser Signale nicht durch störende Wirkungen der Zuchtatmosphäre beeinträchtigt oder verfälscht wird, was bei anderen optischen Kontrollverfahren, z. B. infolge von Turbulenzerscheinungen der Zuchtatmosphäre und unkontrollierbarer Änderungen der optischen Eigenschaften von gewöhnlich im Inneren des Rezipienten der Zuchtapparatur angeordneten Einblickfenstern, Strahlumlenkspiegeln oder anderen optischen Bauelementen durch zunehmendes Beschlagen, Verfärben o. ä. mit fortschreitendem Zuchtprozeß, prinzipiell nicht auszuschließen ist.It is essential that, in contrast to comparable known measurement methods, the registration of these signals is not affected or distorted by disturbing effects of the breeding atmosphere, which is in other optical control methods, eg. B. due to turbulence phenomena of the breeding atmosphere and uncontrollable changes in the optical properties of usually arranged inside the recipient of the breeding apparatus viewing windows, Strahlumlenkspiegeln or other optical components by increasing fogging, discoloration o. Ä. With progressive breeding process, in principle can not be excluded.
Ein für den praktischen Einsatz der beschriebenen Anordnung wesentlicher Vorteil besteht ferner darin, daß die zum Erreichen der Arbeitstemperatur bei gleichzeitiger Realisierung genügend kleiner Temperaturgradienten — insbesondere bei der HTZ — notwendige allseitige thermische Abschirmung der heißen Zone für die erfindungsgemäße Anwendung der aufgeführten kombinierten Meßmethoden keine Einschränkung darstellt.A significant advantage for the practical use of the arrangement described is further that the necessary to achieve the working temperature with simultaneous realization of small temperature gradients - especially in the HTZ - all-round thermal shielding of the hot zone for the application of the listed combined measurement methods is not limiting ,
Auftretende Unregelmäßigkeiten während des Kristallisationsprozesses können durch Auswertung der über mehrere Meßkanäle erhaltenen Daten zeitiger und mit höherer Sicherheit als bei den bekannten Methoden erkannt und somit schädliche Auswirkungen auf die erreichbare Kristallperfektion durch rechtzeitige und zweckmäßige Beeinflussung der Steuerung des Zuchtprozesses vermieden werden.Occurring irregularities during the crystallization process can be detected by evaluating the data obtained over several measurement channels time and with higher security than in the known methods and thus harmful effects on the achievable crystal perfection by timely and appropriate influencing the control of the breeding process can be avoided.
Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung durchführbare Mehrkanal-Prozeßüberwachung, gekennzeichnet durch fortlaufende Registrierung der in der unmittelbaren Umgebung der Kristallisationszone herrschenden Temperaturverhältnisse mittels einer pyrometrischen Methode bei gleichzeitiger Verfolgung von Form und Dynamik der Wachstumsfront mit Hilfe eines aktiven Verfahrens der optischen Lokalisierung der Interface einschließlich simultaner Bestimmung des aktuellen Wertes der integralen Massenwachstumsrate unter Verwendung eines Gewichtsdetektors, d.h. der Ermittlung der jeweils pro Zeiteinheit kristallisierten Masse, ist insbesondere für die Beherrschung von Strömungsphänomenen von großer praktischer Bedeutung, da letztere einen wesentlichen Beitrag zur thermischen Energiebilanz an der Interface liefern und damit deren Verhalten maßgeblich beeinflussen. So wird z. B. beim Auftreten von Konvektionsinstabilitäten im Laufe des Zuchtprozesses die an sich universelle Anwendbarkeit der beim Czochralski-Kristallzuchtverfahren verbreiteten Kristalldurchmesserregelung nach der Gewichtsmethode häufig eingeschränkt.The feasible with the inventive arrangement multi-channel process monitoring, characterized by continuous registration of prevailing in the immediate vicinity of the crystallization temperature conditions by a pyrometric method while tracking the shape and dynamics of the growth front by means of an active method of optical localization of the interface including simultaneous determination of the current value of the integral mass growth rate using a weight detector, ie The determination of the mass crystallized per unit time, in particular for the control of flow phenomena of great practical importance, since the latter provide a significant contribution to the thermal energy balance at the interface and thus significantly influence their behavior. So z. B. the occurrence of convective instabilities in the course of the breeding process, the per se universal applicability of the widespread in the Czochralski crystal growing crystal diameter control by weight method often limited.
Der Übergang zur beschriebenen Mehrkanal-Prozeßüberwachung und -steuerung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da es sich in der Praxis gezeigt hat, daß die Anwendung einer lediglich „einkanaligen" automatischen Stabilisierungsmethode zur Steuerung des Kristallzuchtprozesses in vielen Fällen nicht ausreichend ist, um Einkristalle hoher struktureller Perfektion zu gewinnen. So muß — auch bei der Verwendung automatischer Kristallzucht-Stabilisierungseinrichtungen — zusätzlich zu den bekannten Maßnahmen zur Steuerung des Kristallisationsprozesses, zu denen z. B. die Regelung von Heizleistung, Hub- und Rotationsgeschwindigkeit sowie deren kombinierte zeitliche Variation zwecks gezielter Beeinflussung der Interfacegestalt zählen, als notwendige Voraussetzung für eine erreichbare hohe Kristallqualität stets eine gezielte Optimierung des für die Zucht einer konkreten Kristallart verwendeten Zuchtaufbaus erfolgen, von dessen geeigneter Gestaltung (z. B. Geometrie von Schmelztiegel und Nachheizer, deren gegenseitiger Abstand und ihre relative Lage innerhalb eines Hochfrequenz-Induktors bzw. eines Widerstandsheizers, Ausführung der Tiegeleinbettung und anderer thermischer Abschirmungselemente sowie Größe und Anordnung der gewöhnlich in ihnen vorhandenen Einblicksöffnungen, Ausbildung der Gasführung in der heißen Zone usw.) die für den Kristallisationsprozeß wesentlichen Wert der axialen und radialen Temperaturgradienten in der Schmelze, im Gebiet der Kristallisationszone und im wachsenden Kristall sowie die Gewährleistung stabiler Konvektionsverhältnisse im Schmelztiegel während der gesamten Dauer des Kristallisationsprozesses in entscheidender Weise abhängen. Die beschriebene mehrkanalige Meßanordnung gestattet bei geeigneter Signalauswertung der in den verschiedenen Kanälen registrierten Meßwerte die frühestmögliche und sichere Detektierung des Auftretens hydrodynamisch bedingter Konvektionsinstabilitäten, noch ehe es zu deren Manifestation und in der Folge zum Auftreten einer signifikanten Instabilität der Wachstumsfront oder gar zu deren Umschlag kommt.The transition to the described multichannel process monitoring and control is particularly advantageous because it has been found in practice that the use of a merely "single-channel" automatic stabilization method to control the crystal growing process is in many cases not sufficient to produce single crystals of high structural perfection Thus, in addition to the known measures for controlling the crystallization process, including the use of automatic crystal growth stabilization devices, for example, the control of heating power, lifting and rotational speed and their combined temporal variation for the purpose of deliberately influencing the interface shape count, as a necessary prerequisite for an achievable high crystal quality is always a targeted optimization of the breeding structure used for the cultivation of a specific crystal type, its suitable design (eg., Geometry of enamel crucible and reheater, their mutual distance and their relative position within a high-frequency inductor or resistance heater, execution of the crucible embedding and other thermal shielding elements and the size and arrangement of the usually present in them vents, formation of the gas guide in the hot zone, etc.) the for the crystallization process essential value of the axial and radial temperature gradients in the melt, in the region of the crystallization zone and in the growing crystal as well as ensuring stable convection conditions in the crucible during the entire duration of the crystallization process depend critically. The described multichannel measuring arrangement, with suitable signal evaluation of the measured values registered in the various channels, allows the earliest possible and reliable detection of the occurrence of hydrodynamically induced convection instabilities, even before their manifestation and consequently the occurrence of significant instability of the growth front or even its envelope.
Außerdem liefert die erfindungsgemäße Anordnung im Unterschied zu bekannten Lösungen neben prozeßrelevanten Steuersignalen für ein automatisches System mitadaptivem Regelungsverhalten zur Stabilisierung des Kristallzuchtsprozesses zusätzlich objektive Kriterien für die Beurteilung der Güte des jeweils verwendeten Zuchtauf baus. Während nach herkömmlicher Art die schrittweise Optimierung des Zuchtaufbaus auf mehr oder weniger empirischer Basis erfolgt, können beim Einsatz der beschriebenen Meßanordnung als objektiver Maßstab für die Eignung des jeweils getesteten Zuchtaufbaus für die konkrete Zuchtaufgabe und dessen Vergleich mit anderen Konstruktionen zweckmäßigerweise Zeitpunkt und Häufigkeit des Auftretens von Strömungs- bzw. Wachstumsinstabilitäten während des Zuchtprozesses und/oder Betrag und Richtung der zu ihrer Unterdrückung bzw. Beseitigung durch das automatische Stabilisierungssystem vorgenommenen Änderungen bestimmter Züchtungsparameter, wie z. B. der Heizleistung und/oder der Kristallrotationsgeschwindigkeit, herangezogen werden. Diese Objektivierung des Entwicklungsprozesses verringert die Entwicklungszeit, dient der Erhöhung der Kristallqualität sowie der Verbesserung der bei der serienmäßigen Kristallherstellung erreichbaren Verfahrensreproduzierbarkeit und stellt damit insgesamt einen Beitrag zur Weiterentwicklung fortgeschrittener Kristallzuchttechnologien, insbesondere auf dem Gebiet der besonders problemreichen Hochtemperaturzüchtung, dar.In addition, the arrangement of the invention provides in contrast to known solutions in addition to process-related control signals for an automatic system mitadaptivem control behavior to stabilize the crystal growing process additionally objective criteria for the assessment of the quality of each used Breeding Aufauf construction. While the conventional manner, the gradual optimization of the breeding structure is carried out on a more or less empirical basis, when using the described measuring arrangement as an objective yardstick for the suitability of each tested breeding structure for the specific breeding task and its comparison with other constructions expediently time and frequency of occurrence of Flow or growth instabilities during the breeding process and / or amount and direction of the changes made to their suppression or elimination by the automatic stabilization system of certain breeding parameters, such. B. the heating power and / or the crystal rotation speed, are used. This objectification of the development process reduces the development time, serves to increase the crystal quality and to improve the achievable in the standard crystal production process reproducibility and thus makes a total contribution to the further development of advanced crystal growing technologies, especially in the field of particularly problematic high temperature breeding.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments. In the accompanying drawing show
Fig. 1: schematisch eine Kristallzuchtapparatur,1 shows schematically a crystal growing apparatus,
Fig.2: schematisch eine speziell ausgebildete Impfkeimstange,2 shows schematically a specially trained Impfkeimstange,
Fig.3: ein typisches Absorptionsspektrum von Dy3+in einem Granat-Wirtsgitter,3 shows a typical absorption spectrum of Dy 3+ in a garnet host lattice,
Fig.4: ein typisches Absorptionsspektrum von Ho3+ in einem Granat-Wirtsgitter,4 shows a typical absorption spectrum of Ho 3+ in a garnet host lattice,
Fig.5: ein typisches Absorptionsspektrum von Er3+ in einem Granat-Wirtsgitter,5 shows a typical absorption spectrum of Er 3+ in a garnet host lattice,
Fig. 6: ein typisches Absorptionsspektrum von Tm3+ in einem Granat-Wirtsgitter,6 shows a typical absorption spectrum of Tm 3+ in a garnet host lattice,
Fig.7: die spektrale Strahldichte eines schwarzen Strahlers bei T = 2250K,7 shows the spectral radiance of a blackbody at T = 2250K,
Fig.8: den von YAG:Dy3+ durchgelassenen Strahlungsanteil eines schwarzen Strahlers der Temperatur 2250K,FIG. 8 shows the radiation component of a black 2250K radiator transmitted by YAG: Dy 3+. FIG.
Fig.9: die Aufsicht auf eine sektorförmige Interferenzfilteranordnung,9 shows the top view of a sector-shaped interference filter arrangement,
Fig. 10: die Aufsicht auf eine Verlauf-Interferenzfilteranordnung mit dazugehörigem typischen Signalverlauf.10: the top view of a gradient interference filter arrangement with associated typical signal waveform.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Teil einer Kristallzuchtapparatur umfaßt einen hermetisch verschlossenen Rezipienten 1, in welchem sich innerhalb einer thermischen Abschirmung 2 ein durch eine Heizeinrichtung 3 beheizbarer Tiegel 4 mit der Schmelze 5 befindet. Im oberen Teil des Rezipienten 1 ist eine hermetische Durchführung 6 angeordnet, in welcher eine gekühlte Ziehspindel 7 dreh- und axial verschiebbar gelagert ist, die durch nicht dargestellte Antriebsorgane während des Kristallzuchtprozesses in eine kombinierte Translations-/Rotationsbewegung versetzt wird. An der der Schmelze 5 zugewandten Stirnseite der Ziehspindel 7 ist im Innern des Rezipienten 1 ein hohl ausgebildeter Keimstangenhalter 8 angeordnet, welcher eine Befestigungseinheit 9 für eine Impfkeimstange 10 besitzt. Die Befestigungseinheit 9 umfaßt ein Spannfutter 11, eine Rutschkupplung 12 sowie eine Detektoraufnahme 13 und gewährleistet eine sichere Halterung der mitwärmeabschirmenden/-abführenden Elementen 14 versehenen Impfkeimstange 10, an deren der Schmelze 5 zugewandtem Endesich der aus der Schmelze 5 gezogene Einkristall befindet. Vorzugsweise im Innern des Keimstangenhalters 8 sind ein oder mehrere Strahlungsempfänger 16 und wahlweise eine optische Strahlungsquelle 17, z.B. ein Laser, sowie Strahlung leitende optische Elemente 18 angeordnet, welche einerseits die von der Kristallisationsfront 19 und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehende, den bereits gewachsenen Teil des Einkristalls 15 und die Impfkeimstange 10 durchlaufende diffuse Strahlung über Blenden 20 und Filteranordnungen 21 zu den Strahlungsempfängern 16 und andererseits die von der optischen Strahlungsquelle 17 ausgehende gebündelte Fremdstrahlung durch die Impfkeimstange 10 und den bereits gewachsenen Teil des Einkristalls 15 zur Kristallisationsfront (Phasengrenzfläche) 19 sowie den von dieser reflektierten Anteil der gebündelten Fremdstrahlung zurück zu den Strahlungsempfängern 16 leiten. Zusätzlich zu den Strahlungsempfängern 16 ist in der Detektoraufnahme 13 ein weiterer Detektor 22 angeordnet, der zur Registrierung anderer physikalischer Größen als Strahlung, vorzugsweise zur Gewichtsdetektierung, geeignet ist. Die Strahlungsempfänger 16 sowie der zusätzliche Detektor 22 sind über eine Auswerteeinrichtung 23 mit Stellgliedern 24 der Kristallzuchtapparatur zur Steuerung der den Kristallisationsprozeß beeinflussenden technologischen Parameter, wie Größe der Heizleistung sowie Hub- und Rotationsgeschwindigkeit der Ziehspindel 7, verbunden.The part of a crystal growing apparatus shown schematically in FIG. 1 comprises a hermetically sealed recipient 1, in which within a thermal shield 2 a crucible 4, which can be heated by a heating device 3, is located with the melt 5. In the upper part of the recipient 1, a hermetic passage 6 is arranged, in which a cooled drawing spindle 7 is mounted rotatably and axially displaceable, which is offset by non-illustrated drive members during the crystal growing process in a combined translational / rotational movement. At the melt 5 facing end side of the pulling spindle 7, a hollow trained Keimstangenhalter 8 is disposed in the interior of the recipient 1, which has a fixing unit 9 for a Impfkeimstange 10. The fixing unit 9 comprises a chuck 11, a slip clutch 12 and a detector receptacle 13 and ensures a secure mounting of the mitwärmeabschirmenden / -abführenden elements 14 provided Impfkeimstange 10, at the melt 5 facing endesich is drawn from the melt 5 monocrystal. Preferably within the germ bar holder 8 are one or more radiation receivers 16 and optionally an optical radiation source 17, e.g. a laser, as well as radiation-conducting optical elements 18 are arranged which on the one hand emanating from the crystallization front 19 and its immediate environment, the already grown part of the single crystal 15 and the Impfkeimstange 10 continuous diffuse radiation through aperture 20 and filter assemblies 21 to the radiation receivers 16 and on the other the bundled extraneous radiation emanating from the optical radiation source 17 passes through the Impfkeimstange 10 and the already grown part of the single crystal 15 to the crystallization front (phase interface) 19 and the portion of the bundled extraneous radiation reflected by this back to the radiation receivers 16. In addition to the radiation receivers 16, a further detector 22 is arranged in the detector receptacle 13, which is suitable for registering other physical quantities than radiation, preferably for weight detection. The radiation receiver 16 and the additional detector 22 are connected via an evaluation device 23 with actuators 24 of the crystal growing apparatus for controlling the crystallization process influencing technological parameters, such as size of the heating power and lifting and rotating speed of the pulling spindle 7.
Gemäß Fig.2 stellt die in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete Impfkeimstange 10 einen kristallographisch entsprechend orientierten und optisch bearbeiteten, einkristallinen, zylinderförmigen Stab dar, der entlang seiner Längserstreckung mindestens einen undotierten Bereich 25 und einen, eine Absorptionszone darstellenden, dotierten Bereich 26 besitzt, wobei sich der undotierte Bereich 25 auf der der Schmelze 5 zugewandten Seite der Impfkeimstange 10 befindet und vorzugsweise die gleiche chemische Zusammensetzung wie der zu züchtende Einkristall 15 aufweist. Zwischen dem undotierten Bereich 25 und dem dotierten Bereich 26 der Impfkeimstange 10 liegt eine herstellungsbedingte Ubergangszone 27, entlang deren Längsausdehnung die Konzentration des für den dotierten Bereich 26 verwendeten Dotierungsmaterials von Null beginnend bis auf den Wert der im dotierten Bereich 26 realisierten mittleren Dotierungskonzentration zunimmt. Ein solcher fließender Übergang des Dotierungsgrades wirkt sich u.a. günstig auf die mechanische Stabilität und thermische Belastbarkeit der Impfkeimstange 10 aus. Der dotierte Bereich 26 befindet sich auf der Schmelze 5 abgewandten Seite der Impfkeimstange 10, wodurch Verunreinigungen der Schmelze 5 mit den im dotierten Bereich 26 eingesetzten Dotierungsstoffen sicher vermieden werden. Dieser dotierte Bereich 26 besteht aus der gleichen Wirtssubstanz wie der undotierte Bereich 25, ist jedoch zusätzlich mit bestimmten Seltenerdionen dotiert, wodurch er Wärmestrahlung absorbierende Eigenschaften für mindestens einen bestimmten, dem der in der Kristallisationszone 28 herrschenden Temperatur entsprechenden Strahlungsmaximum angepaßten Spektralbereich aufweist. Die Wirksamkeit des dotierten Bereiches 26 der Impfkeimstange 10 als Absorptionszone für thermische Strahlung hängt entscheidend von der Auswahl der Dotierungselemente sowie ihrer Konzentration in dieser Zone ab.As shown in FIG. 2, the seed germ rod 10 used in the arrangement according to the invention is a crystallographically oriented and optically processed single-crystal cylindrical rod having along its longitudinal extent at least one undoped region 25 and one doped region 26 representing an absorption zone the undoped region 25 is located on the side of the Impfkeimstange 10 facing the melt 5 and preferably has the same chemical composition as the single crystal 15 to be grown. Between the undoped region 25 and the doped region 26 of the Impfkeimstange 10 is a production-related transition zone 27 along the longitudinal extent of the concentration of the dopant used for the doped region 26 doping material increases from zero to the value of the doped region 26 realized average doping concentration increases. Such a smooth transition of the degree of doping affects u.a. favorable to the mechanical stability and thermal resilience of Impfkeimstange 10 off. The doped region 26 is located on the side facing away from the melt 5 of Impfkeimstange 10, whereby impurities of the melt 5 with the dopants used in the doped region 26 dopants are avoided. This doped region 26 consists of the same host substance as the undoped region 25, but is additionally doped with certain rare earth ions, whereby it has heat radiation absorbing properties for at least one specific spectral range matched to the radiation maximum corresponding to the temperature prevailing in the crystallization zone 28. The effectiveness of the doped region 26 of the seed bar 10 as a thermal radiation absorption zone depends critically on the choice of doping elements and their concentration in this zone.
Erfindungsgemäß werden — insbesondere für den bei der Hochtemperaturzüchtung wichtigen Arbeitstemperaturbereich von etwa 1800 K bis 2500K — als Dotierung vorteilhaft Ionen der Elemente Dysprosium, Holmium, Erbium oder Thulium — einzeln oder kombiniert — verwendet, wobei die Dotierungskonzentration in einem Bereich von 2-20Mol-% liegt. Die gezielte Einbringung von Ionen der genannten Seltenerdelemente in den dotierten Bereich 26 verleiht diesem außerdem die erwünschte Eigenschaft eines selektiven Strahlungsleiters in für Farbtemperaturmessungen (Quotientenpyrometer) geeigneten, schmalbandigen Spektralbereichen im Wellenlängengebiet von 1000 nm bis 3000 nm. Zur Illustration dieses Sachverhaltes sind in Fig.3-6 die an sich bekannten („Journal of Materials Science" 4 [1969] S.450-456) Absorptionsspektren der Seltenerdionen Dy3+, Ho3+, Er3+, undTm3+ in einem Granat-Wirtsgitter wiedergegeben. Obwohl diese Spektren bei 300 K aufgenommen wurden, sind sie in qualitativer Hinsicht auch für höhere Temperaturen als repräsentativ anzusehen, da bei hohen Temperaturen vor allem mit einer durch verstärkte thermische Gitterschwingungen bewirkten zusätzlichen Linienverbreiterung zu rechnen ist und die Absorption somit noch steigt. Da bei der erfindungsgemäßen Ausnutzung des Absorptionsverhaltens der Seltenerdionen Dy3+, Ho3+, Er3+ und Tm3+ im dotierten Bereich 26 der Impfkeimstange 10 gegenüber der in Fig. 3-6 benutzten Meßprobendicke von 10 mm eine wesentlich größere Absorptionslänge von größenordnungsmäßig 100-200 mm zur Verfügung steht, braucht bei vorliegender Anwendung der Dotierung zur Erzielung des gewünschten Absorptionseffektes der absolute Dotierungsgrad im dotierten Bereich 26 der Impfkeimstange 10 für alle praktisch bedeutungsvollen dielektrischen Wirtskristalle nur wenige Mol-% betragen, wobei keine für den Einsatzfall wesentliche Verschlechterung der Kristallperfektion (z. B. Festig^keitsminderung oder Induzierung von Brechzahlinhomogenitäten) auftritt. Trotz des Fehlens detaillierter Kenntnisse über das spektrale Verhalten der den optischen Meßkanal bildenden, bei den üblicherweise hohen Arbeitstemperaturen semitransparenten Materialien der Impfkeimstange 10 sowie des wachsenden Einkristalls 15 kann man für qualitative Abschätzungen in grober Näherung für die spektrale Verteilung der von der Schmelze 5 eines zu züchtenden dielektrischen Einkristalls 15 durch die Kristallisationsfront 19 in Richtung des als Absorptionszone wirkenden dotierten Bereiches 26 der Impfkeimstange 10 abgegebenen Gesamtstrahlung (einschließlich der Anteile der Hintergrundstrahlung) das Emissionsspektrum eines schwarzen Strahlers gleicher Temperatur ansetzen. Dabei wird anhand von Fig.7 deutlich, daß bei den für die Zucht von praktisch bedeutsamen oxydischen Einkristallen üblichen Arbeitstemperaturen um 2200 K der weitaus überwiegende Strahlungsanteil im Wellenlängenbereich von 750nm...4000 nm liegt (Tabellen der spektralen Strahldichte des schwarzen Körpers, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1972). Somit kommt für diesen Bereich als besonders vorteilhaftes Dotierungselement vorzugsweise Dysprosium zur Anwendung (Fig. 3). Die hohe Wirksamkeit einer Dy3+-Dotierung der Impfkeimstange 10 hinsichtlich der erzielbaren Absorption thermischer Strahlung wird durch Fig. 8 verdeutlicht. In dieser Abbildung ist dem gestrichelt dargestellten Emissionsspektrum 29 eines schwarzen Strahlers der Temperatur 2250 K der von einer als spektrales Filter eingesetzten Dysprosium-Aluminium-Granat-Meßprobe mit einem Absorptionsverhalten gemäß Fig. 3 durchgelassene Anteil dieser schwarzen Strahlung („gefilterte" schwarze Strahlung 30) gegenübergestellt. Die noch verbliebenen Maxima um 1100nm, 1 500nm, 2100nm lassen sich bei Bedarf noch weiter reduzieren, indem eine Ko-Dotierung mit vorzugsweise Hp3+ (Absorptionsmaxima bei 1200nm, 1900nm, 2100 nm), Tm3+ (Absorptionsmaxima bei 1300 nm, 1 800 nm) und/oder Er3+ (Absorptionsmaxima bei 11.00 nm, 1600 nm) erfolgt. Das Dotierungsverhältnis von Dy3+ als Hauptdotierungselement zu Ho3+, Tm3+ und Er3+ hängt vom konkreten Einsatzzweck ab. Der als Absorptionszone wirkende, dotierte Bereich 26 stellt eine in die Impf keimstange 10 integrierte Wärmequelle dar, die sich im Zuchtbetrieb aufheizt. Ein auf die Impfkeimstange geklemmter kombinierter Strahlungs- und Kühlschirm 31 unterstützt die ' Wärmeabfuhr aus der Absorptionszone. Außer dem obersten Kühlblech 32 sind die horizontal angeordneten kreisscheibenförmigen metallischen Kühlbleche 33-35 auf ihrer Oberseite durchgehend geschwärzt; auf der Unterseite dagegen sind alle Kühlbleche metallisch blank und poliert. Die vom Kühlschirm aus der Absorptionszone abgeführte thermische Energie wird hauptsächlich von den geschwärzten Oberflächen abgestrahlt. Gleichzeitig bilden die blanken Unterseiten der Kühlbleche .32-35 eine wirksame Abschirmung des Keimstangenhaiters 8 gegen die seitlich neben der Impfkeimstange 10 aus dem Bereich des heißen Tiegels 4 nach oben austretende Wärmestrahlung und — falls nicht unter Vakuum gezüchtet wird — den nach oben gerichteten heißen Gaskonvektionsströmungen. Vorteilhaft werden die Kühlbleche 32—35 in radialer Richtung geschlitzt, wodurch bei induktiver Erwärmung des Tiegels die unerwünschte Energiekopplung in die Kühlbleche gering gehalten wird. In Fig.9 ist schematisch die Anordnung zur Realisierung des angewendeten hochauflösenden und driftarmen Verhältnispyrometer-Meßprinzips dargestellt, bei dem nur ein Strahlungsempfänger alternierend in zwei verschiedenen, schmalbandigen Spektralbereichen der zu detektierenden Temperaturstrahlung ausgesetzt wird. Das durch die Ziehspindel 7 angetriebene sektorförmige Interferenzfilter 36 rotiert in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene. Es besteht aus je zwei Filtersektoren 37 und 38 unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit, die sich paarweise gegenüberstehen und im Verlauf einerUmdrehung des Interferenzfilters 36 zeitlich nacheinanderin den Meßstrahlengang geschwenkt werden. Ein Markengeber 39 gibt immer dann eine nicht dargestellte Auswerteeinheit einen Triggerimpuls ab, wenn ein auf der Winkelhalbierenden 40 des azimutalen Öffnungswinkels eines Filtersektors 37 oder 38 befindliches Gebiet des rotierenden Interferenzfilters 36 den Meßstrahlengang durchquert. Mit dieser Anordnung wird eine alternierende spektrale Filterung der durch den Meßkanal auf den Strahlungsempfänger 16 gelangenden Strahlung in zwei schmalbandigen Spektralbereichen realisiert. In einer weiteren Ausführungsvariante wird die hochauflösende und driftarme Verhältnispyrometeranordnung vorteilhaft unter Verwendung eines Verlauf-Interferenzfilters 41 anstelle dessektorförmigen Interferenzfilters 36 realisiert (Fig. 10). Das Verlauf-Interferenzfilter 41 ist zwischen der Impfkeimstange 10 und dem in der Achse der Ziehspindel 7 plazierten Strahlungsempfänger 16 angeordnet, wird durch die Ziehspindel 7 angetrieben und rotiert in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene. Dabei verläuft die Rotationsachse 42 des Verlauf-Interferenzfilters 41 in einem einstellbaren Abstand a von der Ziehspindelachse 43. Durch Variation des Wertes von a kann die im Verlauf einer Umdrehung des Verlauf-Interferenzfilters 41 überstrichene Wellenlängendifferenz Δλ = Kmax - \mm beeinflußt und somit ohne Filterwechsel dem konkreten Einsatzfall angepaßt werden, während durch die Wahl des Wertes bin Fig. 10 der gewünschte WellenlängenschwerpunktXo = {Xmax + Amin)/2festgelegtwird. Ein Markengeber 44 gibt immer dann an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit einen Triggerimpuls ab, wenn der jeweils durchstrahlte Filterbereich den je nach eingestelltem Abstand a erreichbaren Wellenlängenextrema (Kmm bzw. KmaJ entspricht. Durch diese Triggerimpulse wird jeweils die Übernahme des aktuellen Meßwertes in die Auswerteeinheit ausgelöst, in der aus jeweils zwei seitlich aufeinanderfolgende Meßwerten KXmm), und l(Xmax)i mittels einer nicht näher dargestellten Quotientenschaltung der dem im i-ten Zeitintervall bei Amjn und Amax ermittelten Strahlungsintensitäten entsprechende Temperaturwert gebildet wird.According to the invention, ions of the elements dysprosium, holmium, erbium or thulium - singly or in combination - are advantageously used as doping, in particular for the working temperature range of about 1800 K to 2500 K, which is important for high-temperature cultivation, the doping concentration being in a range of 2 to 20 mol%. lies. The deliberate introduction of ions of said rare earth elements in the doped region 26 also gives this the desired property of a selective radiation conductor in narrow-band spectral ranges suitable for color temperature measurements (quotient pyrometer) in the wavelength range of 1000 nm to 3000 nm. To illustrate this situation, FIG -6 the known ("Journal of Materials Science" 4 [1969] pp. 450-456) absorption spectra of the rare earth ions Dy 3+ , Ho 3+ , Er 3+ , and Tm 3+ in a garnet host lattice Spectra recorded at 300 K, they are to be regarded in qualitative terms for higher temperatures than representative, since at high temperatures above all caused by increased thermal lattice vibrations additional line broadening is to be expected and thus the absorption still increases the absorption behavior of the rare earth ions Dy 3+ , Ho 3+ , Er 3+ and Tm 3+ in the doped region 26 of Impfkeimstange 10 compared to the measuring thickness of 10 mm used in Fig. 3-6 a much greater absorption length of the order of 100-200 mm available needs in the present application of the doping to achieve the desired absorption effect, the absolute doping level in the doped region 26 of Impfkeimstange 10 for all practically significant dielectric host crystals only a few mol%, with no significant for the application deterioration of the crystal perfection (z. Strength reduction or inducing of refractive index inhomogeneities). Despite the lack of detailed knowledge of the spectral behavior of the optical measuring channel forming, semitransparent at the usually high operating temperatures materials Impfkeimstange 10 and the growing single crystal 15 can for qualitative estimates in a rough approximation for the spectral distribution of the melt 5 of a to be bred dielectric single crystal 15 through the crystallization front 19 in the direction of acting as the absorption zone doped region 26 of Impfkeimstange 10 total radiation (including the proportions of the background radiation) set the emission spectrum of a black body of the same temperature. With reference to FIG. 7, it becomes clear that the far predominant proportion of radiation in the wavelength range of 750 nm to 4000 nm lies in the working temperatures of 2,200 K which are usual for the growth of practically significant oxidic monocrystals (blackbody spectral radiance tables, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1972). Thus, dysprosium is preferably used for this area as a particularly advantageous doping element (FIG. 3). The high effectiveness of a Dy 3+ doping of Impfkeimstange 10 with respect to the achievable absorption of thermal radiation is illustrated by Fig. 8. In this figure, the dashed emission spectrum 29 of a blackbody radiator with the temperature 2250 K of the proportion of this black radiation transmitted by a dysprosium-aluminum garnet test sample used as a spectral filter with an absorption behavior according to FIG. 3 ("filtered" black radiation 30) The remaining maxima around 1100nm, 1500nm, 2100nm can be further reduced if necessary by a co-doping with preferably Hp 3+ (absorption maxima at 1200nm, 1900nm, 2100nm), Tm 3+ (absorption maxima at 1300nm , 1 800 nm) and / or Er 3+ (absorption maxima at 11.00 nm, 1600 nm) The doping ratio of Dy 3+ as main doping element to Ho 3+ , Tm 3+ and Er 3+ depends on the specific application Absorption zone acting, doped region 26 represents a germinal rod in the inoculation 10 integrated heat source which heats up in the breeding operation A clamped on the Impfkeimstange Combined radiation and cooling screen 31 supports the 'heat removal from the absorption zone. Except the top cooling plate 32, the horizontally disposed circular disc-shaped metal cooling plates 33-35 are blackened continuously on its upper side; On the other hand, all cooling plates are metallically bright and polished on the underside. The thermal energy dissipated from the cooling zone by the cooling screen is mainly radiated from the blackened surfaces. At the same time, the bare undersides of the cooling plates .32-35 form an effective shielding of the germ rod holder 8 against the heat radiation exiting the hot crucible 4 laterally adjacent to the seed rod 10 and, if not grown under vacuum, the upwardly directed hot gas convection currents , Advantageously, the cooling plates 32-35 slotted in the radial direction, whereby the inductive heating of the crucible, the unwanted energy coupling is kept low in the cooling plates. FIG. 9 schematically shows the arrangement for realizing the applied high-resolution and low-drift ratio pyrometer measuring principle, in which only one radiation receiver is exposed alternately in two different, narrow-band spectral regions of the temperature radiation to be detected. The sector-shaped interference filter 36 driven by the pulling spindle 7 rotates in a plane perpendicular to the spindle axis. It consists of two filter sectors 37 and 38 of different spectral transmittances, which face each other in pairs and, in the course of one revolution of the interference filter 36, are temporally successively pivoted into the measuring beam path. A brand transmitter 39 always emits a trigger pulse, not shown, when a region of the rotating interference filter 36 located on the bisector 40 of the azimuthal opening angle of a filter sector 37 or 38 passes through the measuring beam path. With this arrangement, an alternating spectral filtering of the radiation reaching the radiation receiver 16 through the measuring channel is realized in two narrowband spectral ranges. In a further embodiment variant, the high-resolution and drift-poor ratio pyrometer arrangement is advantageously realized by using a gradient interference filter 41 instead of the sector-shaped interference filter 36 (FIG. 10). The gradient interference filter 41 is disposed between the seed bar 10 and the radiation receiver 16 placed in the axis of the pull spindle 7, is driven by the pull spindle 7, and rotates in a plane perpendicular to the spindle axis. In this case, the axis of rotation 42 of the course interference filter 41 extends at an adjustable distance a from the drawing spindle axis 43. By varying the value of a, the wavelength difference Δλ = K max - \ mm swept over in the course of one revolution of the course interference filter 41 can be influenced and thus without Filter change are adapted to the specific application case, while by the choice of the value of Fig. 10, the desired wavelength centroid X o = {X max + A m i n ) / 2festgelegird. A brand transmitter 44 always emits a trigger pulse to an evaluation unit, not shown, if the respective filtered filter area corresponds to the wavelength extrema (K mm or K ma J achievable depending on the set distance a) Evaluation unit triggered, in each of which two laterally successive measured values KXmm), and l (X max ) i is formed by means of a quotient circuit, not shown, corresponding to the in the i-th time interval at A m j n and A max determined radiation intensity corresponding temperature value.
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-
1982
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